KR20150088034A - 레독스 흐름 전지를 위한 단전지 구조물 - Google Patents

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KR20150088034A
KR20150088034A KR1020140008354A KR20140008354A KR20150088034A KR 20150088034 A KR20150088034 A KR 20150088034A KR 1020140008354 A KR1020140008354 A KR 1020140008354A KR 20140008354 A KR20140008354 A KR 20140008354A KR 20150088034 A KR20150088034 A KR 20150088034A
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Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지를 위한 단전지 구조물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 일 실시예는 플로우 프레임, 전극(BP: bipolar plate), 펠트 및 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물에 있어서, 상기 플로우 프레임의 일 측면에 제 1 소정의 깊이로 형성되는 제 1 면홈, 상기 플로우 프레임의 타 측면에 제 2 소정의 깊이로 형성되는 제 2 면홈, 상기 제 1 소정의 깊이와 동일한 두께를 가지는 상기 전극, 상기 제 2 소정의 깊이와 동일한 두께를 가지는 상기 펠트 및 상기 펠트의 일 측면에 구비되는 분리막을 포함하되, 상기 전극은 상기 전극의 상단부와 상기 제 1 면홈의 상단부가 접촉하고, 상기 전극의 하단부와 상기 제 1 면홈의 하단부가 접촉하여 상기 플로우 프레임의 내측에 삽설되어 형성되고, 상기 펠트는 상기 펠트의 상단부와 상기 제 2 면홈의 상단부가 접촉하고, 상기 펠트의 하단부와 상기 제 2 면홈의 하단부가 접촉하여 상기 플로우 프레임의 내측에 삽설되어 형성되는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물을 제공할 수 있다.

Description

레독스 흐름 전지를 위한 단전지 구조물{Structure of single cell for Zinc-Bromine REDOX Flow Battery}
본 발명은 레독스 흐름 전지(REDOX flow battery)의 효율을 높이기 위한 단전지 설계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지지체(End Plate), 전류집진기(Current-Collector), 전극(Electrode; Bipolar-Plate), 플로우 프레임(Flow Frame), 펠트(Felt)에 대한 구조물에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지와 일반 이차전지의 가장 큰 차이점은 전지반응물질과 전극이 각기 독립되어 존재하는 것이다. 전지반응이 일어나는 전극은 이온 교환 막과 함께 연료전지와 유사한 스택을 구성하게 되고, 각기 다른 산화가를 갖는 활물질이 이온상태로 포함된 양극 전해액(anolyte) 및 음극 전해액(catholyte)은 스택 외부의 저장조에 담겨진다.
전지반응은 펌프 및 배관을 통하여 저장조의 양극과 음극 전해액이 각기 분리막으로 나누어져 있는 양극 및 음극으로 유입되어 이루어지며, 반응을 마친 전해액은 다시 원래의 저장조로 회수되고 반응이 종료될 때까지 각각의 전해액은 스택의 양극 및 음극을 순환하며, 산화 환원 반응을 일으키게 된다.
레독스 흐름 전지의 이러한 특성은 전지반응이 일어나는 스택과 반응물질이 있는 저장조의 독립된 설계를 가능하게 함으로서, 이를 통해 스택수의 증가에 따른 출력, 저장조의 크기에 따른 에너지저장 용량을 쉽게 변화시킬 수 있어, 대용량화가 용이하고 기존의 이차전지 사용에 따른 문제점(습도 및 구축비용등)에 대한 정점이 있다. 이러한 레독스 흐름 전지의 하나인 징크-브로민 흐름 전지 원리는 다음과 같다.
양극 : Zn(s) → Zn2 +(aq) + 2e- 식(1)
음극 : Br2(aq) + 2e- → 2Br-(aq) 식(2)
전체반응 : Zn(s) + Br2(aq) → 2Br-(aq) + Zn2 +(aq) 식(3)
이때, 식 (1)과 식 (2)에 의해 -0.76 V, 식(2)에 의해 +1.087 V의 전위차가 발생하며, 식(3)의 전체반응에 의해 단위 셀 당 1.85 V의 전위차를 갖는다.
상기 반응을 위해 양극과 음극은 이온 교환 막을 중심으로 펠트, 전극, 전류집진기, 지지체 간 층상 형태로 대칭 구조를 가지며, 양단의 탱크에 보관된 전해질을(단전지 내부의) 양극과 음극 펠트에 흘려 보내줌으로써 이온 교환을 통한 충방전에 따른 에너지 저장 및 출력을 얻는다.
상기 제시한 구조물에서 이온 교환 막을 기준으로 양극과 음극이 겹겹이 쌓인 층상 구조물가 나타낼 수 있는 접촉저항 방지, 외부 또는 양단으로의 전류 손실을 방지할 수 있는 완벽한 절연 구조물, 전해질이 펠트 표면 전체에 도포될 수 있도록 하는 플로우 프레임 구조물 등은 레독스 흐름 전지의 성능에 지대한 영향을 미치게 되며, 이에 따른 전지 효율 저하 문제들은 현재까지도 완벽하게 해결되지 않았다.
대한민국 공개특허 : 제1020090046087호
본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 과제는 플로우 프레임(Flow-Frame)의 층상 구조가 나타낼 수 있는 접촉저항 및 외부 또는 양단으로의 전류의 손실을 방지할 수 있는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 실시 예가 해결하고자 하는 과제는 전해질의 누수를 방지함과 동시에 전기적 쇼트, 전력 누수를 방지할 수 있는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 실시예가 해결하고자 하는 과제는 독특한 플로우 프레임 구조를 통해 단전지 내부로 유입되는 전해질이 펠트(Felt) 전체를 항상 균등하게 도포할 수 있도록 원활한 흐름을 제공하여 데드 존(Dead-zone) 방지에 따른 레독스 흐름 전지의 에너지효율을 향상시킬 수 있는 단전지 구조물을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 일 실시예는 플로우 프레임, 전극(BP: bipolar plate), 펠트 및 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물에 있어서, 상기 플로우 프레임의 일 측면에 제 1 소정의 깊이로 형성되는 제 1 면홈, 상기 플로우 프레임의 타 측면에 제 2 소정의 깊이로 형성되는 제 2 면홈, 상기 제 1 소정의 깊이와 동일한 두께를 가지는 상기 전극, 상기 제 2 소정의 깊이와 동일한 두께를 가지는 상기 펠트 및 상기 펠트의 일 측면에 구비되는 분리막을 포함하되, 상기 전극은 상기 전극의 상단부와 상기 제 1 면홈의 상단부가 접촉하고, 상기 전극의 하단부와 상기 제 1 면홈의 하단부가 접촉하여 상기 플로우 프레임의 내측에 삽설되어 형성되고, 상기 펠트는 상기 펠트의 상단부와 상기 제 2 면홈의 상단부가 접촉하고, 상기 펠트의 하단부와 상기 제 2 면홈의 하단부가 접촉하여 상기 플로우 프레임의 내측에 삽설되어 형성되는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물을 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 면홈의 세로방향 길이는 상기 제 2 면홈의 세로방향 길이 보다 크게 형성되고, 상기 전극이 상기 제 1 면홈에 삽설될 때, 상기 전극과 상기 플로우 프레임 사이에 구비되는 오링(O-Ring) 가스켓을 더 포함하되, 상기 오링(O-Ring) 가스켓은 전해질이 상기 플로우 프레임과 상기 전극 사이로 흘러나가는 것을 방지할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 오링(O-Ring) 가스켓의 단면의 지름이 1㎜ 내지 2㎜일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 전극의 상단부는 상기 플로우 프레임의 제 1 면홈의 상단부에 접하고, 상기 전극이 상기 플로우 프레임과 접하는 측면의 나머지 부분은 상기 펠트의 타 측면과 접하며, 상기 펠트의 타 측면은 상기 전극과 마주보고, 상기 펠트의 일 측면은 상기 분리막과 접하여 일체형을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 펠트는 상기 플로우 프레임의 상기 제 2 면홈에 삽설되어 형성되되, 상기 펠트의 일 측면에 접하여 형성되는 분리막은 상기 제 2 면홈의 세로방향 길이보다 크게 형성되고, 상기 분리막의 상단의 일측면과 하단의 일 측면이 상기 플로우 프레임에 접하도록 형성될 때, 상기 플로우 프레임과 상기 분리막 사이에 전해질이 유출되는 것을 방지하는 오링(O-Ring) 가스켓을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 오링(O-Ring) 가스켓의 단면의 지름이 1㎜ 내지 2㎜일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 플로우 프레임은 상기 플로우 프레임의 하단부에 전해질이 유입되는 유입공, 상기 플로우 프레임의 상단부에 전해질이 유출되는 유출공, 상기 유입공으로 유입되는 전해질이 상기 펠트에 접촉하기 전 제 1 소정의 시간 동안 담지되는 제 1 버퍼 공간 및 상기 전해질이 상기 펠트로부터 이탈되어 상기 유출공으로 유출되기 전 제 2 소정의 시간 동안 담지되는 제 2 버퍼 공간을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼 공간은 하단이 볼록한 반원형이고, 상기 제 2 버퍼 공간은 상단이 볼록한 반원형일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼 공간 및 상기 제 2 버퍼 공간은 직사각형일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼 공간 및 상기 제 2 버퍼 공간 중 선택되는 어느 하나에는 상기 플로우 프레임에 저류되는 상기 전해질의 5% 내지 20%가 담지될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼 공간 중 상기 플로우 프레임의 내측 일부에 위치하고, 상기 전해질 유입공의 상부 방향으로 소정의 높이에 구비되는 제 1 유속제어문턱(flow-control threshold);을 포함하되, 상기 제 1 유속제어문턱은 상기 유입공으로 유입되는 전해질이 상승하면서 상기 전해질의 상승면을 수평하게 유지하여 상기 펠트에 고르게 확산되도록 할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 유속제어문턱은 T형, U형,
Figure pat00001
형,
Figure pat00002
형 및
Figure pat00003
형 중 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 유속제어문턱은 상기 유입공의 상부 방향으로 소정의 높이에 복수로 구비될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 버퍼 공간 중 상기 플로우 프레임의 내측 일부에 위치하고, 상기 전해질 유출공의 하부 방향으로 소정의 깊이에 구비되는 제 2 유속제어문턱(flow-control threshold)을 포함하되, 상기 제 2 유속제어문턱은 상기 유출공으로 유출되는 전해질이 상승하면서 상기 전해질의 상승면을 수평하게 유지하여 상기 펠트로부터 고르게 이탈되도록 할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 유속제어문턱은 T형, U형,
Figure pat00004
형,
Figure pat00005
형 및
Figure pat00006
형 중 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 유속제어문턱은 상기 유출공의 하부 방향으로 소정의 깊이에 복수로 구비될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 1 버퍼 공간은 상기 제 1 버퍼 공간의 하단의 단면적이 상기 제 1 버퍼 공간의 상단의 단면적보다 작은 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 버퍼 공간은 하단의 단면적이 상기 제 2 버퍼 공간의 상단의 단면적보다 작을 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 상기 분리막을 중심으로 한 쌍의 플로우 프레임-여기서, 상기 한 쌍의 플로루 프레임은 양극 플로우 프레임 및 음극 플로우 프레임을 포함함-을 포함하되, 상기 양극 플로우 프레임은 Acrylic, PVC, PP, PE, PVDF 및 에폭시 중 선택되는 어느 하나이고, 상기 음극 플로우 프레임은 Acrylic, PVC, PP, PE, PVDF 및 에폭시 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 징크-브롬(Zinc-Bromide) 전해질을 레독스 흐름 전지에 사용할 경우 상기 양극(Zn) 플로우 프레임은 Acrylic, PVC, PP, PE, PVDF 및 에폭시 중 선택되는 어느 하나이고, 상기 양극(Br) 플로우 프레임 PVDF일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 플로우 프레임(Flow-Frame)의 층상 구조물가 나타낼 수 있는 접촉저항 및 외부 또는 양단으로의 전류의 손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 Zinc-Bromine 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 독특한 펠트(felt) 구조물을 통해 전해액의 흐름을 원활히 하여 레독스 흐름 전지의 효율 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 전해질의 누수를 방지함과 동시에 전기적 쇼트, 전력 누수를 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 데드 존(Dead-zone)이 발생하지 않고, 펠트(Felt)에 균등하게 전해질을 흘려보낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 양극 쪽 플로우 프레임 구조물의 측면도(음극 쪽은 대칭 구조물임)를 나타낸 것으로 플로우 프레임에 전극과 펠트 삽입과 분리막 층상 구조물을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 플로우 프레임에 전극이 삽입되는 방향의 평면도를 나타낸 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 플로우 프레임에 펠트가 삽입되는 방향의 평면도를 나타낸 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 내 상단과 하단의 밀폐된 전해질 버퍼 공간을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 내 상단과 하단의 또 다른 형태를 갖는 밀폐된 전해질 버퍼 공간을 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 내 전해질 유속제어문턱을 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 내 또 다른 형태를 갖는 전해질 유속제어문턱을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지 구조물을 위한 또 다른 형태의 전해질 버퍼 공간을 갖는 플로우 프레임의 측면도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 구조물의 버퍼 공간에서 전해질의 흐름을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 에너지 효율을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 지지체(End Plate)(미도시), 전류집진기(Current-Collector)(미도시), 전극(120)(Electrode; Bipolar-Plate), 플로우 프레임(110)(Flow Frame), 펠트(130)(Felt), 분리막(140)(Membrane)을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 일 실시예는 플로우 프레임(110)의 구조물에 관한 것으로 본 발명의 주된 특징으로 중심으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 양극 쪽 플로우 프레임 구조물의 측면도를 나타낸 것이다(음극 쪽은 분리막을 중심으로 대칭 구조임).
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 플로우 프레임(110), 전극(120)(BP: bipolar plate), 펠트(130) 및 분리막(140)을 포함할 수 있다. 여기서, 화살표(↑)는 전해질의 흐름을 나타낸다.
제 1 면홈(113)은 플로우 프레임(110)의 일 측면에 제 1 소정의 깊이로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 면홈(115)은 플로우 프레임(110)의 타 측면에 제 2 소정의 깊이로 형성될 수 있다. 제 1 면홈(113)에는 전극(120)이 구비되고, 제 2 면홈(115)에는 펠트(130)가 구비될 수 있다.
종래에는 플로우 프레임(110)과 전극(120)을 분리하여 형성하였으나, 본 발명에 따른 일 실시예에서는 플로우 프레임(110)에 전극(120)이 삽설되면, 제 1 소정의 깊이와 전극(120)의 두께를 일치하도록 형성하여 단턱이 없는 수평면을 형성할 수 있다.
유사한 방법으로 제 2 소정의 깊이를 펠트(130)의 두께와 동일하게 형성할 수 있다. 플로우 프레임(110)에 펠트(130)가 삽설되면, 단턱이 없는 수평면을 형성할 수 있다. 또한, 분리막(140)은 펠트(130)의 일 측면에 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전극(120)의 상단부와 제 1 면홈(113)의 상단부가 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 전극(120)의 하단부와 제 1 면홈(113)의 하단부가 접촉하도록 할 수 있다. 이를 통해 전극(120)이 플로우 프레임(110)의 내측에 삽설되도록 형성할 수 있다.
또한, 펠트(130)의 상단부와 제 2 면홈(115)의 상단부가 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 펠트(130)의 하단부와 제 2 면홈(115)의 하단부가 접촉하도록 할 수 있다. 이를 통해 펠트(130)가 플로우 프레임(110)의 내측에 삽설되어 형성될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 전극(120)의 상단부는 플로우 프레임(110)의 제 1 면홈(113)의 상단부에 접할 수 있으며, 전극(120)이 플로우 프레임(110)과 접하는 측면의 나머지 부분은 펠트(130)의 타 측면과 접할 수 있다.
또한, 펠트(130)의 타 측면은 전극(120)과 마주보고, 펠트(130)의 일 측면은 분리막(140)과 접하여 일체형을 형성할 수도 있다. 더 나아가,
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 레독스 흐름 전지를 스택으로 확장될 경우 매니폴드(Manifold) 형태가 될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 플로우 프레임에 전극이 삽입되는 방향의 평면도를 나타낸 구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 플로우 프레임(110)의 일 측면에 오링(O-Ring) 가스켓(117)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제 1 면홈(113)의 세로방향 길이는 제 2 면홈(115)의 세로방향 길이 보다 크게 형성하고, 전극(120)이 제 1 면홈(113)에 삽설될 때, 오링(O-Ring) 가스켓(117)이 전극(120)과 플로우 프레임(110) 사이에 구비될 수 있다.
여기서, 오링(O-Ring) 가스켓(117)은 전해질이 플로우 프레임(110)과 전극(120)사이로 흘러나가는 것을 방지하는 기능을 하며, 이는 종래의 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물에서 전해질이 유출되는 문제점을 해결할 수 있다.
도 2에 나타낸 것처럼, 제 1 면홈(113)의 테두리 부분에 오링(O-Ring) 가스켓을 부착하고, 전극(120)을 구비하면, 전해질의 유출을 방지할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 오링(O-Ring) 가스켓(117)의 단면의 지름을 1㎜ 내지 2㎜로 설정할 수 있다. 오링(O-Ring) 가스켓(117)의 단면의 지름이 1㎜보다 작은 경우 오링(O-Ring) 가스켓(117)을 제작하는데 많은 비용이 소요되고, 오링(O-Ring) 가스켓(117)의 단면의 지름이 2㎜ 보다 큰 경우 플로우 프레임(110)과 전극(120)이 일체형으로 형성되기 어렵고, 플로우 프레임(110)과 전극(120)의 일 측면에 단턱이 형성되어 레독스 흐름 전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 플로우 프레임에 펠트가 삽입되는 방향의 평면도를 나타낸 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물의 타 측면에 오링(O-Ring) 가스켓(119)을 더 포함할 수 있다. 펠트(130)가 플로우 프레임(110)의 제 2 면홈(115)에 삽설되어 형성될 때, 펠트(130)의 일 측면에 접하여 형성되는 분리막(140)은 제 2 면홈(115)의 세로방향 길이보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 오링(O-Ring) 가스켓(119)은 분리막(140)의 상단의 일 측면과 하단의 일 측면이 플로우 프레임(110)에 접하도록 형성될 수 있다. 이를 통해 플로우 프레임(110)과 분리막(140) 사이에 전해질이 유출되는 것을 방지할 수 있다.
다른 실시예에서, 오링(O-Ring) 가스켓(119)의 단면의 지름은 1㎜ 내지 2㎜인 것을 특징으로 할 수 있다. 위에서 설명한 것과 같이 오링(O-Ring) 가스켓(119)의 단면의 지름이 1㎜보다 작은 경우 오링(O-Ring) 가스켓(119)을 제작하는데 많은 비용이 소요되다. 또한, 오링(O-Ring) 가스켓(119)의 단면의 지름이 2㎜ 보다 큰 경우 플로우 프레임(110)과 전극(120)이 일체형을 형성하기 어렵고, 플로우 프레임(110)과 전극(120)의 일 측면에 단턱이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 내 상단과 하단의 밀폐된 전해질 버퍼 공간을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 프레임(110)은 플로우 프레임(110)의 하단부에 전해질이 유입되는 유입공(1101), 플로우 프레임(110)의 상단부에 전해질이 유출되는 유출공(1102)을 포함할 수 있다. 전해질은 외부 펌프에 의해 유입공(1101)으로 유입되고, 펠트(130)로 진입하며, 펠트(130)를 통해 화학반응을 수행한 후 유출공(1102)으로 유출된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 프레임(110)은 유입공(1101)으로 유입되는 전해질이 펠트(130)에 접촉하기 전 제 1 소정의 시간 동안 담지되는 제 1 버퍼 공간(1111)과 전해질이 펠트(130)로부터 이탈되어 유출공(1102)으로 유출되기 전 제 2 소정의 시간 동안 담지되는 제 2 버퍼 공간(1112)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 버퍼 공간(1111)은 하단이 볼록한 반원형이 될 수 있다. 또한, 제 2 버퍼 공간(1112)은 상단이 볼록한 반원형이 될 수 있다. 반원형으로 형성된 제 1 버퍼 공간(1111) 및 제 2 버퍼 공간(1112)은 유입공(1101)에서 유입되는 전해질이 고르게 펠트(130)로 진입할 수 있도록 한다.
종래에는 펠트(130)의 일부에 전해질이 도달하지 않는 데드존이 형성되어, 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있었으나, 도 4에 나타낸 것처럼, 반원형의 버퍼공간을 구비하면, 유입되는 전해질의 상승면은 수평면을 형성하고, 고르게 펠트(130)에 도달할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 내 상단과 하단의 또 다른 형태를 갖는 밀폐된 전해질 버퍼 공간을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 버퍼 공간(1111) 및 제 2 버퍼 공간(1112)은 직사각형으로 구현될 수 있다. 도 4에서 설명한 것과 동일하게, 전해질을 일정 시간 동안 담지하여, 전해질이 고르게 펠트(130)로 확산 되도록 할 수 있다.
다른 실시예에서, 제 1 버퍼 공간(1111) 및 제 2 버퍼 공간(1112)에는 소정의 전해질의 양을 담지 하도록 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 버퍼 공간(1111) 및 제 2 버퍼 공간(1112)에는 플로우 프레임(110)에 저류되는 전해질의 5% 내지 20%가 담지 되도록 제 1 버퍼 공간(1111) 및 제 2 버퍼 공간(1112)의 크기를 조절할 수 있다. 플로우 프레임(110)에 저류되는 전해질의 양을 5%보다 적게 하면, 전해질이 펠트(130)에 고르게 확산 되는 것을 방해할 수 있고, 플로우 프레임(110)에 저류되는 전해질의 양을 20%보다 크게 하면, 전해질이 과도하게 요구되어 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 플로우 프레임 내 전해질 유속제어문턱을 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 제 1 버퍼 공간(1111) 중 플로우 프레임(110)의 내측 일부에 위치할 수 있다.
전해질 유입공(1101)의 방향으로 소정의 높이에 구비되는 제 1 유속제어문턱(1113)(flow-control threshold)을 포함하며, 제 1 유속제어문턱(1113)은 전해질 유입공(1101)으로 유입되는 전해질이 상승하면서 전해질의 상승면을 수평으로 유지하여 전해질이 펠트(130)에 고르게 확산 되도록 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제 1 유속제어문턱(1113)은 T형, U형,
Figure pat00007
형,
Figure pat00008
형 및
Figure pat00009
형 중 선택되는 어느 하나가 될 수 있으나, 제 1 유속제어문턱(1113)의 형태를 특별히 한정하는 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 도 6과는 달리 도 7에서는
Figure pat00010
형의 제 1 유속제어문턱(1113)이 구비된 것을 나타내며, 유입공(1101)에서 유입되는 전해질이 복수의 반곡면(
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
)를 거치면서 전해질이 상승하는 면을 수평으로 만들 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제 1 유속제어문턱(1113)은 전해질 유입공(1101)의 상부 방향으로 소정의 높이에 복수로 구비될 수도 있다. 도 8 및 도 9에는 상부로 올라갈수록 크기가 증가하는 복수의 제 1 유속제어문턱(1113)을 단계별로 구비하였으나, 제 1 유속제어문턱(1113)의 개수와 모양을 특별히 한정하는 것은 아니며, 전해질의 성질과 레독스 흐름 전지의 용량에 따라 다양하게 변형이 가능하다.
제 1 유속제어문턱(1113)과 동일한 방법으로 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 제 2 버퍼 공간(1112) 중 플로우 프레임(110)의 내측 일부에 위치하고, 전해질 유출공(1102)의 하부 방향으로 소정의 깊이에 구비되는 제 2 유속제어문턱(1114)(flow-control threshold)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제 2 유속제어문턱(1114)은 전해질 유출공(1102)으로 유출되는 전해질이 상승하면서 전해질의 상승면을 수평하게 유지하여 펠트(130)로부터 고르게 이탈되도록 할 수 있다.
또한, 제 2 유속제어문턱(1114)은 T형, U형,
Figure pat00014
형,
Figure pat00015
형 및
Figure pat00016
형 중 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있고, 제 2 유속제어문턱(1114)은 전해질 유출공(1102)의 하부 방향으로 소정의 깊이에 복수로 구비될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지 구조물을 위한 또 다른 형태의 전해질 버퍼 공간을 갖는 플로우 프레임의 측면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 버퍼 공간(1111)은 제 1 버퍼 공간(1111)의 하단의 단면적이 제 1 버퍼 공간(1111)의 상단의 단면적보다 작도록 구현할 수 있다.
유사하게, 제 2 버퍼 공간(1112)은 하단의 단면적이 제 2 버퍼 공간(1112)의 상단의 단면적보다 작도록 구현할 수 있다. 이를 통해 유입공(1101)으로 유입되는 전해질은 제 1 버퍼 공간(1111)의 하단의 단면적 줄어드는 단턱(T1)에서 상승하는 전해질의 상승면이 수평을 유지할 수 있도록 한다.
전해질의 상승면이 수평으로 유지되면, 펠트(130)에 유입되는 전해질이 고르게 확산 될 수 있고, 레독스 흐름 전지의 효율을 상승시킬 수 있다. 도 11을 참조하면, 도 10에서 나타낸 제 2 버퍼 공간(1112)에 형성된 단턱(T1)에 의해 전해질이 고르게 확산되는 것을 확인할 수 있으며, 도 12를 통해 전해질이 고르게 펠트(130)에 접근하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은 분리막(140)을 중심으로 한 쌍의 플로우 프레임(110)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 플로우 프레임(110)은 PP(polypropylene), PE(polyethylene), HDPE(high density polyethylene), LDPE(low density polyethylene), LLDPE(linear low density polyethylene), PS(polystyrene), PET(polyethylene terephthalate), PVC(polyvinyl chloride) 및 Epoxy 중 선택되는 어느 하나로 구현할 수 있다. 또한, 한 쌍의 플로루 프레임은 양극 플로우 프레임(110) 및 음극 플로우 프레임(110)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 징크-브로민을 전해질로 사용할 경우 양극(Zn) 플로우 프레임(110)은 Acrylic, PVC, PP, PE, PVDF 및 에폭시 중 선택되는 어느 하나가 될 수 있고, 양극(Br) 플로우 프레임(110) PVDF가 될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 단전지의 에너지 효율을 나타낸 비교 그래프이다. 이때 전해질은 징크 브로민(Zinc-Bromine : ZnBr2)을 사용하였다.
도 13을 참조하면, 도 13의 가로축은 사이클 수를 나타내고, 도 13의 세로축은 사이클 수가 증가함에 따른 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 효율을 나타낸다. 여기서, 그래프(141) 및 그래프(142)는 종래의 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 효율을 나타낸 것이고, 그래프(143)은 본 발명의 일 실시예에 따른 징크-브로민 레독스 흐름 전지의 효율을 나타낸 것이다. 그래프(141) 및 그래프(142)는 사이클을 증가시키는 경우 효율이 증가하나, 최대효율은 65% 내지 75%의 효율을 가짐을 알 수 있다. 그러나 그래프(143)에서는 평균적으로 85% 이상의 효율을 가짐을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 플로우 프레임
113 : 제 1 면홈
115 : 제 2 면홈
117 : 오링(O-Ring) 가스켓
119 : 오링(O-Ring) 가스켓
120 : 전극
130 : 펠트
140 : 분리막
1101 : 유입공
1111 : 제 1 버퍼공간
1102 : 유출공
1112 : 제 2 버퍼공간
T1, T2 : 단턱

Claims (19)

  1. 플로우 프레임, 전극(BP: bipolar plate), 펠트 및 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물에 있어서,
    상기 플로우 프레임의 일 측면에 제 1 소정의 깊이로 형성되는 제 1 면홈;
    상기 플로우 프레임의 타 측면에 제 2 소정의 깊이로 형성되는 제 2 면홈;
    상기 제 1 소정의 깊이와 동일한 두께를 가지는 상기 전극;
    상기 제 2 소정의 깊이와 동일한 두께를 가지는 상기 펠트; 및
    상기 펠트의 일 측면에 구비되는 분리막;
    을 포함하되,
    상기 전극은 상기 전극의 상단부와 상기 제 1 면홈의 상단부가 접촉하고, 상기 전극의 하단부와 상기 제 1 면홈의 하단부가 접촉하여 상기 플로우 프레임의 내측에 삽설되어 형성되고,
    상기 펠트는 상기 펠트의 상단부와 상기 제 2 면홈의 상단부가 접촉하고, 상기 펠트의 하단부와 상기 제 2 면홈의 하단부가 접촉하여 상기 플로우 프레임의 내측에 삽설되어 형성되는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 면홈의 세로방향 길이는 상기 제 2 면홈의 세로방향 길이 보다 크게 형성되고, 상기 전극이 상기 제 1 면홈에 삽설될 때, 상기 전극과 상기 플로우 프레임 사이에 구비되는 오링(O-Ring) 가스켓을 더 포함하되,
    상기 오링(O-Ring) 가스켓은 전해질이 상기 플로우 프레임과 상기 전극 사이로 흘러나가는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오링(O-Ring) 가스켓의 단면의 지름이 1㎜ 내지 2㎜인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극의 상단부는 상기 플로우 프레임의 제 1 면홈의 상단부에 접하고,
    상기 전극이 상기 플로우 프레임과 접하는 측면의 나머지 부분은 상기 펠트의 타 측면과 접하며, 상기 펠트의 타 측면은 상기 전극과 마주보고, 상기 펠트의 일 측면은 상기 분리막과 접하여 일체형을 형성하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 펠트는 상기 플로우 프레임의 상기 제 2 면홈에 삽설되어 형성되되,
    상기 펠트의 일 측면에 접하여 형성되는 분리막은 상기 제 2 면홈의 세로방향 길이보다 크게 형성되고,
    상기 분리막의 상단의 일측면과 하단의 일 측면이 상기 플로우 프레임에 접하도록 형성될 때, 상기 플로우 프레임과 상기 분리막 사이에 전해질이 유출되는 것을 방지하는 오링(O-Ring) 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 오링(O-Ring) 가스켓의 단면의 지름이 1㎜ 내지 2㎜인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플로우 프레임은
    상기 플로우 프레임의 하단부에 전해질이 유입되는 유입공;
    상기 플로우 프레임의 상단부에 전해질이 유출되는 유출공;
    상기 유입공으로 유입되는 전해질이 상기 펠트에 접촉하기 전 제 1 소정의 시간 동안 담지되는 제 1 버퍼 공간; 및
    상기 전해질이 상기 펠트로부터 이탈되어 상기 유출공으로 유출되기 전 제 2 소정의 시간 동안 담지되는 제 2 버퍼 공간;
    을 포함하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼 공간은 하단이 볼록한 반원형이고,
    상기 제 2 버퍼 공간은 상단이 볼록한 반원형인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼 공간 및 상기 제 2 버퍼 공간은 직사각형인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼 공간 및 상기 제 2 버퍼 공간 중 선택되는 어느 하나에는 상기 플로우 프레임에 저류되는 상기 전해질의 5% 내지 20%가 담지되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼 공간 중 상기 플로우 프레임의 내측 일부에 위치하고,
    상기 전해질 유입공의 상부 방향으로 소정의 높이에 구비되는 제 1 유속제어문턱(flow-control threshold);을 포함하되,
    상기 제 1 유속제어문턱은 상기 유입공으로 유입되는 전해질이 상승하면서 상기 전해질의 상승면을 수평하게 유지하여 상기 펠트에 고르게 확산되도록 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 유속제어문턱은 T형, U형,
    Figure pat00017
    형,
    Figure pat00018
    형 및
    Figure pat00019
    형 중 선택되는 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 유속제어문턱은 상기 유입공의 상부 방향으로 소정의 높이에 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 버퍼 공간 중 상기 플로우 프레임의 내측 일부에 위치하고,
    상기 전해질 유출공의 하부 방향으로 소정의 깊이에 구비되는 제 2 유속제어문턱(flow-control threshold);
    을 포함하되,
    상기 제 2 유속제어문턱은 상기 유출공으로 유출되는 전해질이 상승하면서 상기 전해질의 상승면을 수평하게 유지하여 상기 펠트로부터 고르게 이탈되도록 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 유속제어문턱은 T형, U형,
    Figure pat00020
    형,
    Figure pat00021
    형 및
    Figure pat00022
    형 중 선택되는 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 유속제어문턱은 상기 유출공의 하부 방향으로 소정의 깊이에 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  17. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼 공간은
    상기 제 1 버퍼 공간의 하단의 단면적이 상기 제 1 버퍼 공간의 상단의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  18. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 버퍼 공간은 하단의 단면적이 상기 제 2 버퍼 공간의 상단의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물은
    상기 분리막을 중심으로 한 쌍의 플로우 프레임-여기서, 상기 한 쌍의 플로루 프레임은 양극 플로우 프레임 및 음극 플로우 프레임을 포함함-을 포함하되,
    상기 양극 플로우 프레임은 Acrylic, PVC, PP, PE, PVDF 및 에폭시 중 선택되는 어느 하나이고,
    상기 음극 플로우 프레임은 Acrylic, PVC, PP, PE, PVDF 및 에폭시 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 단전지 구조물.


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