KR20160060681A - 비전도성 픽처 프레임을 구비한 바이폴라 플레이트 설계 - Google Patents

비전도성 픽처 프레임을 구비한 바이폴라 플레이트 설계 Download PDF

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KR20160060681A
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커티스 워링턴
올렉 그레벤유크
파라바스투 바드리나라야난
토마스 에이치. 매든
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록히드 마틴 어드밴스드 에너지 스토리지, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 유체 유동 조립체 및 이러한 조립체를 결합한 시스템에 관한 것으로서, 각각의 조립체는 비전도성 요소 내에 배치되는 전도성 요소를 포함하고, 비전도성 요소는 중심의 전도성 요소의 테를 두르는 것을 특징으로 하고, 이들 요소는 서로 결합되었을 때 함께 실질적 평면을 형성하고, 전도성 요소 및 비전도성 요소의 각각은 채널을 포함하고, 이 채널은 결합되었을 때 실질적 평면 상에 유동 패턴을 형성하고, 채널은 비전도성 요소 내에 제한되거나 그리고/또는 끝난다.

Description

비전도성 픽처 프레임을 구비한 바이폴라 플레이트 설계{BIPOLAR PLATE DESIGN WITH NON-CONDUCTIVE PICTURE FRAME}
관련출원의 상호참조
본 출원은 2013년 9월 23일에 출원된 미국 특허출원 번호 61/881,041에 대한 우선권의 이익을 주장하고, 이 특허출원의 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참조에 의해 포함된다.
기술 분야
본 발명은 플로우 배터리를 포함하는 에너지 저장 장치에서 사용하기 위한 세퍼레이터에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 바이폴라 세퍼레이터 플레이트 및 이것의 제조를 위한 방법에 관한 것이다.
세퍼레이터 막을 사용하는 플로우 배터리 전지를 포함하는 전기화학 전지는 인접하는 전지들 사이에 바이폴라 세퍼레이터 플레이트를 갖는 전지 스택으로 구성될 수 있다. 전형적으로 이들 바이폴라 세퍼레이터 플레이트는 타이타늄 및 스테인리스 강과 같은 다양한 금속, 또는 흑연상 탄소/폴리머 복합재와 같은 비금속 전도체로 제조된다. 바이폴라 세퍼레이터 플레이트는 재료의 중실(solid) 시트 내에 유체 유동장(fluid flow field)을 주조 또는 기계가공함으로써 제조될 수 있다. 유동장은 바이폴라 세퍼레이터 플레이트 내에서 액체의 통행을 허용하는 대체로 구불구불한 또는 서로 맞물린 유동장 내의 일련의 채널 또는 그루브로 구성될 수 있다. 대부분의 경우에, 이러한 패턴을 가진 플레이트는 전극을 위한 지지 구조물의 역할을 하도록, 또는 전극 자체의 역할을 하도록 그 상면에 중첩되는 다공질 유동 매체를 갖고, 인접하는 채널들 사이에서 어느 정도의 유체 상호접속성을 제공한다. 그러나 이들 특징을 구비하는 유동장을 제조하기 위해 요구되는 복잡성으로 인해 테를 두른(framing) 세퍼레이터 플레이트는 여전히 생산비가 비싸다.
본 발명은 이러한 결함의 일부를 처리하도록 모색한다.
본 발명은 유체 유동 조립체에 관한 것으로서, 각각의 조립체는 비전도성 요소 내에 배치되는 전도성 요소를 포함하고, 비전도성 요소는 중심의 전도성 요소의 테를 두른 것을 특징으로 하고, 이들 요소는 서로 결합되었을 때 함께 실질적 평면을 형성하고, 전도성 요소 및 비전도성 요소의 각각은 채널을 포함하고, 이 채널은 결합되었을 때 실질적 평면 상에 유동 패턴을 형성하고, 채널들은 상호 접속되거나, 비전도성 요소 내에 제한되거나 그리고/또는 비전도성 요소 내에서 끝난다. 이 유동 패턴은 구불구불한 또는 서로 맞물린 유동장 패턴을 구성할 수 있으나, 본 조립체는 전도성 요소가 본질적으로 일련의 실질적으로 평행한 채널로 이루어지는 점, 및 채널을 상호접속시키는 것 또는 채널을 제한하는 것 및/또는 끝내는 것과 관련된 임의의 기구가 비전도성 요소 내에 위치되는 점에서 구별된다.
본 출원은 첨부된 도면과 함께 읽으면 더 깊이 이해된다. 요지를 설명하기 위해, 도면에는 본 요지의 예시적인 실시형태가 도시되어 있으나, 본 요지는 개시된 특정의 방법, 장치 및 시스템에 제한되지 않는다. 또한, 도면은 반드시 축척에 따라 작도된 것은 아니다.
도 1a는 바이폴라 플레이트의 하나의 예시적인 실시형태의 평면도를 도시한다. 도 1b는 바이폴라 플레이트의 하나의 예시적인 실시형태의 측면도를 도시한다.
도 2a는 비전도성 프레임(210)에 의해 테를 두른(framing) 전도성 플레이트(200)를 포함하는 바이폴라 플레이트의 서로 맞물린 유동장의 평면도를 도시하고, 여기서 유동장의 채널은 비전도성 프레임(220)에 접합되어 있다. 도 2b는 도 2a의 사시도를 도시한다.
도 3a는 비전도성 프레임(310)에 의해 테를 두른 전도성 플레이트(300)를 포함하는 바이폴라 플레이트의 서로 맞물린 유동장의 평면도를 도시하고, 여기서 유동장의 채널은 비전도성 프레임(320) 내에서 끝난다. 도 3b는 도 3a의 사시도를 도시한다.
도 4a는 비전도성 프레임(410)에 의해 테를 두른 전도성 플레이트(400)를 포함하는 바이폴라 플레이트의 서로 맞물린 유동장의 평면도를 도시하고, 여기서 유동장의 채널은 비전도성 프레임(420) 내에서 제한된 폭을 갖는다. 도 4b는 도 4a의 사시도를 도시한다.
도 5a는 비전도성 프레임(510)에 의해 테를 두른 전도성 플레이트(500)를 포함하는 바이폴라 플레이트의 서로 맞물린 유동장의 평면도를 도시하고, 여기서 유동장의 채널은 비전도성 프레임(520) 내에서 제한된 높이(계단형 기울기)를 갖는다. 도 5b는 도 5a의 사시도를 도시한다.
본 개시는 모두가 본 개시의 일부를 형성하는 도면 및 실시예와 관련하여 취해진 이하의 설명을 참조함으로써 더 쉽게 이해될 수 있다. 본 개시는 본 명세서에 기재된 그리고/또는 설명된 특정의 생성물, 방법, 조건 또는 파라미터에 제한되지 않고, 본 명세서에서 사용되는 용어는 예시로서만 특정의 실시형태를 설명하는 목적을 위한 것이고, 임의의 청구된 개시내용을 제한하려는 의도를 갖지 않는다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 특별히 다르게 언급되지 않는 한, 가능한 메커니즘 또는 작용의 모드 또는 개선의 이유에 대한 임의의 설명은 단지 예시적인 것이 되도록 의도된 것이고, 본 명세서의 발명은 임의의 이러한 제안된 메커니즘 또는 작용의 모드 또는 개선의 이유의 정확성 또는 부정확성에 의해 구속되어서는 안 된다. 본 명세서의 전체를 통해, 본 설명은 장치 및 시스템을 작동시키는 방법 및 상기 방법을 제공하는 장치 및 시스템의 양자 모두를 언급한다는 것이 인정된다. 즉, 본 개시가 플로우 배터리를 작동시키기 위한 방법 또는 방법들을 설명하고, 그리고/또는 청구하는 경우에, 이들 설명 및/또는 청구항은 이들 방법을 실시하기 위한 장치, 설비, 또는 시스템을 설명하고, 그리고/또는 청구하는 것으로 이해된다.
본 개시에서 단수 형태인 “하나의” 및 “이것”은 복수를 포함하고, 특정의 수치에 대한 언급은, 문맥이 명확하게 다른 것을 나타내지 않는 한, 적어도 그 특정의 값을 포함한다. 따라서, 예를 들면, "어떤 재료"에 대한 언급은 이러한 재료 및 이 재료의 본 기술분야의 당업자에게 공지된 균등물 중 적어도 하나에 대한 언급하는 따위이다.
“약”이라는 용어를 사용하여 근사치로서 어떤 값이 표현되는 경우에, 특정의 값은 다른 실시형태를 형성한다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 용어 “약”의 사용은 개시된 요지에 의해 얻어지도록 추구되는 원하는 특성에 따라 변화될 수 있는 근사치를 나타내고, 그 기능에 기초하여 이것이 사용되는 구체적 상황에서 해석되어야 한다. 본 기술분야의 당업자는 일상적인 문제로서 이것을 해석할 수 있을 것이다. 일부의 경우에, 특정의 값을 위해 사용되는 유효 숫자의 수는 용어 “약”의 범위를 결정하는 하나의 비제한적 방법이 될 수 있다. 기타의 경우에, 일련의 값에서 사용되는 단계적 변화는 각각의 값을 위한 용어 “약”에 대해 사용될 수 있는 의도된 범위를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 존재하는 경우, 모든 범위는 포괄적이고, 조합가능하다. 즉, 범위로서 언급된 값에 대한 언급은 그 범위 내의 모든 값을 포함한다.
어떤 목록이 제시된 경우, 다르게 언급되지 않는 한, 이것은 그 목록의 각각의 개별 요소 및 그 목록의 모든 조합은 별개의 실시형태로서 해석되어야 한다고 이해해야 한다. 예를 들면, "A, B, 또는 C"로 표시된 실시형태의 목록은 "A", "B", "C", "A 또는 B", "A 또는 C", "B 또는 C", 또는 "A, B, 또는 C"의 실시형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 명확화를 위해 별개의 실시형태로 기재된 본 발명의 특정의 특징들은 조합되어 단일의 실시형태로 제공될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 즉, 명백하게 모순되지 않거나 또는 구체적으로 배제되지 않는 한, 각각의 개별적인 실시형태는 임의의 다른 실시형태(들)과 조합될 수 있는 것으로 여겨지고, 이러한 조합은 다른 실시형태로 간주된다. 반대로, 간략화를 위해 단일의 실시형태로 기재된 본 발명의 다양한 특징은 별개로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수도 있다. 더욱이, 어떤 실시형태가 일련의 단계의 일부로서 또는 더 일반적인 구조의 일부로서 설명될 수 있으나, 상기 단계 또는 일부는 그 자체로 독립적인 실시형태로서 간주될 수도 있다. 또한, 본 개시에서 설명되는 실시형태는 플로우 배터리에 관련하여 설명되지만, 밀폐형 배터리, 연료 전지, 및 전해장치를 포함(그러나, 이것에 한정되지 않음)하는 전지의 스택을 필요로 하는 전기화학 장치의 기타 구성에서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이것은 또한 플로우 배터리 시스템 내에서 리밸런싱(rebalancing) 기능을 제공하는 전기화학 장치를 포함한다.
본 발명의 특정의 실시형태는 유체 유동 조립체를 제공하고, 각각의 조립체는,
비전도성 요소 내에 배치되는 전도성 요소를 포함하고,
상기 비전도성 요소, 또는 복수의 비전도성 요소는 중심의 상기 전도성 요소의 테를 두르고, 상기 요소들은, 상호 맞물렸을 때, 함께 적어도 하나의 실질적 평면을 형성하고,
상기 전도성 요소 및 비전도성 요소의 각각은 채널을 포함하고, 상기 채널은, 결합되었을 때, 상기 실질적 평면 상에 유동 패턴을 형성하고,
여기서, 상기 채널은 상기 비전도성 요소에 또는 상기 비전도성 요소 내에서 특징에 의해 상호접속되거나, 그리고/또는 제한되거나, 그리고/또는 끝난다. 별개의 실시형태는 상기 채널이 상기 비전도성 요소에 그리고 상기 비전도성 요소 내에 특징에 의해 상호접속되거나, 그리고/또는 제한되거나, 그리고/또는 끝나는 것을 제공한다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "전도성" 및 "비전도성"은 각각 전기 전도성 및 비전도성을 말한다. 전도성 요소도 비전도성 요소도 이것이 각각 전기 전도성 또는 비전도성의 특징을 만족시키는 한 구성 재료의 선택에 의해 반드시 제약되는 것은 아니다. 예를 들면, 전도성 요소는 탄소, 금속, 또는 금속-코팅된 비전도성 기재 또는 전도성 입자 또는 소섬유(fibril)(예를 들면, 탄소 입자 또는 소섬유 또는 금속 입자)로 충전된 폴리머를 포함하는 복합재를 포함할 수 있다. 비전도성 요소는 전형적으로 유기 폴리머, 바람직하게는 성형가능한 폴리머, 더 바람직하게는 사출 성형된 폴리머를 포함한다. 예시적인 재료는 폴리에틸렌(PE), 폴리-비닐 클로라이드(PVC), 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 사출 성형가능한 열가소성물질을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 또한 하중 하에서의 크리프의 최소화, 및/또는 전도성 요소와의 열팽창 차이의 최소화를 위해 충전재 재료를 포함시킨 폴리머 복합재가 포함된다. 충전재 재료의 후보는 유리 또는 기타 금속 산화물을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 이들 플라스틱 또는 플라스틱 복합재는 충분한 강성, 비전도성을 갖는 점에서, 그리고 저렴한 사출 성형 방법에 의해 제조될 수 있는 점에서 우수한 재료이다.
특정의 실시형태에서, 전도성 요소의 채널은 개별적으로 또는 복수로 상호접속될 수 있다. 전자의 경우에, 예를 들면, 교대의 이웃하는 채널은 비전도성 요소 내에서 개별적인 상호접속부에 의해 유동 경로의 각각의 단부에서 상호 접속될 수 있다. 후자의 경우에, 복수의 채널은 비전도성 요소 내의 플레넘(plenum) 또는 매니폴드에 의해 각각의 단부에서 유체 연통 상태로 접속될 수 있다. 용어 "플레넘" 및 “매니폴드"는 전도성 제 1 요소 내에서 복수의 유동 채널에 공급되는 유체의 공통의 풀(pool)을 표시하기 위해 상호교환적으로 사용될 수 있다.
이들 중 특정의 실시형태에서, 채널은 비전도성 요소 내에서 특징에 의해 제한되거나, 그리고/또는 끝난다. 다른 실시형태에서, 이러한 제한의 특징 및/또는 끝남(termination)의 특징은, 작동 중에, 실질적으로 평면을 벗어나는 전도성 요소 내에서, 즉 전도성 요소 상에 중첩되는 다공질 전극 조립체 내로 대류적 유동을 촉진하는 조립체를 제공한다. 이 조립체의 전체적인 유동 패턴은, 예를 들면, 구불구불한 유동장 패턴, 서로 맞물린 유동장 패턴, 또는 이들의 조합을 구성할 수 있으나, 본 발명의 조립체는 전도성 요소가 본질적으로 일련의 실질적으로 평행한 채널로 이루어지는 점, 및 채널을 상호접속시키는 것 또는 채널을 제한하는 것 및/또는 끝내는 것과 관련된 임의의 요소가 비전도성 요소 내에만 위치되는 점에서 구별된다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "상호 맞물리는 경우에 실질적 평면"은 전도성 요소 및 비전도성 요소의 적어도 하나의 표면이 실질적으로 서로 동일 평면 상에 있는 기하학적 형상을 말한다. 전도성 표면 비전도성 표면은 정확하게 평면일 필요는 없고, 실제로 전도성 표면은, 서로 맞물리는 경우에 한하여, 비전도성 표면 내에서 약간 함몰될 수 있고, 전도성 요소의 채널과 비전도성 요소의 기구 사이에 유체 연통이 존재한다. 일부의 경우에, 비전도성 표면에 대해 약간 함몰되는, 그리고 전도성 요소 상에 중첩되는 유체 확산 매체를 수용할 수 있는 전도성 표면을 제공하는 것이 바람직할 수 있고, 상기 함몰부는 유동 매체가 스택 조립체 내에서 가압되는 경우에 원하는 정도까지 압축되도록 된 크기를 갖는다. 일부의 경우에, 전도성 요소와 실질적으로 비평면인 비전도성 프레밍 요소를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 비전도성 프레밍 요소는 예를 들면, 전지 정렬 기구 또는 이 요소들 사이에 유체 연통이 존재하는 한 유체 이송을 개선하는 기구를 제공하는 인터로킹 기구를 가질 수 있고, 결합된 경우에 조립체는 개별 조립체의 스택 내에 배치될 수 있다. 유동 매체는 금속, 탄소, 폴리머 결합제를 포함하고, 직물, 부직 펠트, 종이, 발포되거나 또는 망상인 유리질 발포체, 천공된 시트, 또는 발포된 메시(mesh)로 구성될 수 있다. 유동 매체는 흑연화 수지에 의해 부직 구조 내에 결합되거나, 또는 어느 정도의 수지 결합을 동반할 수 있거나 동반할 수 없는 직물 또는 펠트 구조 내에 결합되는 흑연화 폴리-아크릴로니트릴(PAN) 섬유로 형성될 수 있다. 대안적으로, 유동 매체는 전도성 요소의 상면에 접합될 수 있다.
특정의 실시형태에서, 비전도성 프레임은 프레임의 구조 내에 적어도 하나의 내부 터널 또는 터널 시스템을 포함한다. 이러한 실시형태에서, 프레임은 평평한 외면을 형성할 수 있고, 전도성 요소의 유동 채널의 베이스가 비전도성 프레임의 이들 내부 유동 기구의 베이스와 정렬되도록, 그리고 선택적으로 유동 채널 상부가 프레임의 평평한 외부 영역과 정렬되도록 구성될 수 있다. 이러한 비전도성 프레임 내의 터널은 개별 플라스틱 시트의 적층에 의해, 또는 3D 포토(photo) 프로세스, 로스트 코어(lost core) 사출 성형, 또는 인베스트먼트 주조에 의해 형성될 수 있다.
용어 “상호 맞물린 경우”는 전도성 요소 및 비전도성 요소가 조립될 때까지 별개의 요소로서 존재할 수 있음을 내포한다. 상이한 요소는 접착제, 스냅 끼워맞춤 또는 기타 패스너(예를 들면, 나사 또는 핀)에 의해 맞물림될 수 있고, 이 패스너는, 예를 들면, 레이저 또는 초음파 용접 또는 접착제(예를 들면, 에폭시)를 이용하여 영구적으로 또는 반영구적으로 접합되거나, 또는 간단하게 서로 인접하는 복수의 조립체의 적층에 의해 정위치에 유지된다. 전도성 표면과 비전도성 표면 사이의 유체 연통의 정도가 의도된 목적을 위해 충분하도록 보장하기 위해 맞물림의 정도가 충분해야 한다는 것은 분명할 것이다. 또한, 바이폴라 플로우 배터리 스택이 바이폴라 세퍼레이터 플레이트의 대향 측면 상에 이종 유체를 포함하므로, 맞물림의 특징에 따라, 그 평면 내에 대상의 유체를 유지하기 위해 탄성중합체 실링이 사용될 수 있다.
전도성 요소가 비전도성 요소의 내부 공간에 기본적으로 일치되는 영역을 형성하도록 비전도성 요소는 전도성 제 1 요소의 주변의 테를 두르는 것이 예상된다. 대안적 실시형태에서, 전도성 요소 내의 채널의 단부들이 비전도성 요소의 필요한 상호접속, 제한, 또는 끝냄 기구에 의해 처리되는 것을 조건으로 비전도성 요소는 2면 또는 3면에서 전도성 요소와 경계를 이룰 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 일부의 실시형태에서, 전도성 요소는 본질적으로 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널을 포함하거나 또는 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널로 이루어진다. 이들 채널의 치수는 이론적으로 중요하지 않으나, 높은 유체 밀도의 실용적인 이유로 마이크론 또는 밀리미터 규모(예를 들면, 약 100 내지 약 1000 마이크론, 약 1 밀리미터 내지 약 10 밀리미터, 또는 이들의 조합)의 폭을 갖는다. 대안적으로, 매우 넓은 폭(예를 들면, 약 10 밀리미터 내지 약 100 밀리미터)의 비교적 적은 수의 채널이 배치될 수 있다. 특정의 실시형태에서, 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널의 적어도 일부, 바람직하게는 전부는 실질적으로 평행한 측벽을 갖는다. 이들 유동 채널은 또한 유동 속도 또는 난류를 향상시키기 위해 채널 내에 소수성 코팅 또는 친수성 코팅으로 코팅될 수 있다. 제조 재료에 따라, 이 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널은 갱 밀링(gang milling)에 의해 또는 최종 망 형상이나 또는 망 형상에 근접하는 형상으로의 성형에 의해 형성될 수 있다. 갱 밀링은 부품 내에 평행한 특징을 형성하기 위해 일련의 커터를 사용하는 공정이다. 갱 밀링은 기계가공의 시간 및 비용을 극적으로 감소시키지만, 극히 단순한 기하학적 구조를 필요로 한다. 본 명세서에 기재된 조립체의 구조가 없었다면 구불구불한 유동장도 서로 맞물린 유동장도 효과적으로 갱 밀링될 수 없다. 실질적으로 평행한 유동 채널은 주조의 복잡성의 감소를 촉진시키고, 그 결과 주조 비용 및 주조 마모가 감소될 수 있다.
본 발명의 전지 설계의 실시예는 도 2a-b, 3a-b, 4a-b, 및 5a-b에 도시된 것들을 포함한다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 비전도성 프레임(200, 300, 400, 및 500)은 활성 영역(210, 310, 410, 및 510)의 외측에서 전지의 전체를 구성한다. 이것은 위에서 설명된 바와 같이 활성 영역의 외측의 바이폴라 플레이트 재료를 저가의 플라스틱 또는 플라스틱 복합재 재료로부터 저가의 성형 방법에 의해 제조될 수 있는 부품으로 대체함으로써 스택 부품의 비용을 감소시킨다. 사출 성형된 플라스틱으로 제조되는 비전도성 프레임을 갖는 전지 설계에서, 매우 적은 추가의 비용으로, 플라스틱 부품에 추가의 기구, 예를 들면, 매니폴드, 관통공, 및 분권 전류를 최소화하기 위한 포트가 추가될 수 있다. 공구 비용은 약간 더 비쌀 수 있으나, 이것은 수십 또는 수백 개의 전지를 포함하는 전형적 플로우 배터리 스택에서의 반복 부품들의 큰 체적에 걸쳐 매우 신속하게 보상된다. 인접하는 유동 채널은 확산층을 통해 이미 접속되어 있고, 따라서 바이폴라 플레이트와 비전도성 전지 프레임 사이의 장착은 유동을 저지하기에 충분하도록 밀착되어야 한다. 바이폴라 플레이트와 비전도성 전지 프레임 사이의 계면에서 유체 저항은 하방-채널의 유체 저항보다 작아야 하고, 확산층을 통한 인접하는 유동 채널에 대한 유체 저항과 대략 동일할 수 있다.
특히 도 3a-b, 4a-b, 및 5a-b는 비전도성 요소 내에서 채널의 제한 또는 끝냄의 개념을 도시하고 있고, 도 2a-b의 기구와 비교된다. 특히, 독자는 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a-b의 각각의 요소(220, 320, 420, 및 520)에 주목한다. 도 2a는 비전도성 요소(210)에 의해 테를 두른 전도성 요소(200)를 포함하는 장치를 도시한다. 전도성 요소(200)는 실질적으로 평행한 유동 채널(음영으로 표시된 트랙으로서 도시됨)을 포함하고, 여기서 유동장의 유동 채널은 서로 맞물린 유동장을 제공하기 위해 비전도성 프레임(220)에 맞닿고, 비전도성 프레임(220)의 내부가 아닌 비전도성 프레임(220)에 접촉하여 끝난다. 유체가 음영으로 표시된 채널의 길이를 따라 유동할 때, 유체는 각각의 채널의 단부에 접근함에 따라 감속된다. 유체가 전도성 바이폴라 플레이트 상의 전기화학적 활성 영역으로 이송되는 일관성을 개선하기 위해, 이것은 회피되는 것이 유리하다. 이에 반해, 도 3a, 도 4a, 및 도 5a는 320, 420, 및 520에 의해 서로 맞물린 유동장이 형성되는 장치를 도시하고, 여기서 대응하는 끝냄 또는 제한은 각각 비전도성 요소에 의해 제공된다. 도 3a, 도 4a, 및 도 5a의 각각에서, 유체의 데드 엔드(dead end)는 활성 영역의 외측에서 발생한다. 이것은 유체 분포의 균일성을 개선하도록 돕는다. 도 4a 및 도 5a에서, 요소(420, 520)는 각각 도 2a 또는 도 3a에 각각 도시된 완전한 폐색 보다는 유체 유동의 부분적 제한을 도시한다. 도 4a의 경우, 채널이 폭이 제한된다. 폭 제한(제한의 단차부의 개수 또는 정도에 의한)의 정도는 각각의 개개의 채널에 대해 동일하거나 또는 상이할 수 있다고 이해해야 한다. 도 5a-b는 비전도성 요소 내에서 채널의 높이의 단일의 계단형 제한을 도시한다. 마찬가지로, 높이 제한의 수 및/또는 정도는 각각의 개개의 채널에 대해 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 적어도 하나의 단차부 및 연속적 기울기의 다른 조합이 주어진 채널의 높이의 범위 내에서 제한을 제공할 수 있다는 것을 또한 이해해야 한다. 더욱이, 수평 단차부(폭) 및 수직 단차부(높이) 또는 기울기의 임의의 조합이 본 명세서에 기재된 제한을 제공할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 이 제한의 정도는 각각의 채널의 폭 또는 높이에 대해 폭 및/또는 높이의 약 10% 내지 약 90%의 범위의 양만큼 각각의 채널의 폭 또는 높이를 감소시킬 수 있다. 다른 실시형태에서, 이 정도의 제한은 약 20% 내지 약 40%의 범위, 약 40% 내지 60%의 범위, 약 60% 내지 약 80%의 범위, 또는 이들의 조합의 양만큼 폭 및/또는 높이를 감쇠시킬 수 있다. 이 기울기 개념은 평면의 외부로 그리고 확산 매체를 통해 공칭량(nominal amount)의 유체를 여전히 가압하면서도 전지를 통한 전체적인 압력 손실을 감소시키는 것에 유리하다. 도시된 비전도성 요소에 의해 제공되는 끝냄 또는 제한은 반드시 축척에 따라 작도되지 않았음에 주의한다.
이러한 점에서, 본 유체 조립체는 대부분 개별적으로 설명되었으나, 이 유체 조립체는 적어도 2 개 이상, 약 50 개, 약 100 개, 또는 약 200 개의 유체 유동 조립체 장치의 제조에서 바람직하게 서로 적층되도록 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 이러한 조립체는 연료 전지, 플로우 배터리, 전해 스택, 및 이들의 조합을 포함하는 전기화학 장치 내에서 기체 및/또는 액체를 순환시키기 위해 사용될 수 있다. 서로에 대해 적층된 경우에, 전극 및 세퍼레이터와 함께 단일의 전지를 포함하는 인접하는 조립체를 수직으로 배향시키고, 그리고 하나의 조립체의 실질적으로 평행한 채널의 어레이가 이웃하는 조립체의 실질적으로 평행한 채널의 어레이에 대해 경사지게, 바람직하게는 90°로 위치되도록 배향시키는 것이 경우에 따라 바람직할 수 있다. 대안적으로, 이 인접하는 조립체는 채널이 수직 배향 또는 수평 배향으로 정렬되도록 배향될 수 있다. 이러한 경우에, 하나의 조립체는 대향하는 인접하는 조립체보다 넓은 채널 치수를 가질 수 있으므로 이들 채널은 더 넓은 채널 내에 정렬될 수 있다.
추가의 실시형태에서, 유체 유동 조립체 장치는 연료 전지, 플로우 배터리, 및 전해 스택을 포함하는 전기화학 장치 내에 결합될 수 있고, 이 전기화학 장치 자체는, 예를 들면, 전지 스택, 저장 탱크 및 전해액을 수용 및 이송하기 위한 파이프, 제어 하드웨어 및 소프트웨어(이것은 안전 시스템을 포함할 수 있음), 및 에너지 저장 시스템의 부품으로서의 적어도 하나의 전력 조정 장치를 포함하는 더 큰 시스템에 결합된다. 이러한 시스템에서, 저장 탱크는 전기활성 재료를 수용한다. 제어 소프트웨어, 하드웨어, 및 선택적인 안전 시스템은 플로우 배터리 또는 기타 에너지 저장 시스템의 안전한, 자동적인, 그리고 효율적인 작동을 보장하기 위해 모든 센서, 완화 설비 및 전자/하드웨어 제어기 및 안전장치를 포함한다.
이러한 저장 시스템은 또한 들어오는 전력 및 나가는 전력을 이 에너지 저장 시스템 또는 용도를 위해 적합한 전압 및 전류로 변환시키기 위해 에너지 저장 시스템의 전단부에 전력 조정 장치를 포함할 수 있다. 배전망에 접속되는 에너지 저장 시스템의 실시예의 경우, 충전 사이클에서 전력 조절 장치는 들어오는 AC 전기를 전기화학 스택을 위해 적절한 전압 및 전류의 DC 전기로 변환시킨다. 방전 사이클에서, 스택은 DC 전력을 생성하고, 전력 조절 장치는 배전망용으로 적절한 전압 및 주파수의 AC 전력으로 변환시킨다. 본 발명의 이러한 에너지 저장 시스템은 수 시간 동안 지속되는 충전 사이클 또는 방전 사이클에 적합하다. 그러므로, 본 발명의 시스템은 원활한 에너지 공급/수요 프로파일에 적합하고, (예를 들면, 재생가능한 에너지원으로부터의) 단속적인 전력 생산 자산을 안정화시키기 위한 메커니즘을 제공한다. 그러므로 본 발명의 실시형태는 이러한 긴 충전 또는 방전 지속시간이 중요한 전기 에너지 저장의 용도를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 이러한 용도의 비제한적 실시예는 본 발명의 시스템이 배전망에 접속되는 경우에, 재생가능에너지 결집을 가능하게 하도록, 최대 부하 시프팅, 배전망 안정화, 베이스로드 전력 생산/소비, 에너지 차익거래, 송전 및 분포 자산 집행연기, 취약 배전망의 지지, 및/또는 주파수 조절을 포함하는 실시예를 포함한다. 또한 본 발명의 장치 또는 시스템은, 예를 들면, 원격 캠프, 전진 작전 기지, 오프-그리드 원격통신, 또는 원격 센서용 전원과 같은 배전망이나 마이크로 배전망에 접속되지 않은 용도를 위한 안정한 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
다음의 실시형태는 이미 설명된 실시형태를 대신하기 보다 이것을 보완하기 위한 목적을 갖는다.
실시형태 1. 유체 유동 조립체로서,
비전도성 요소 내에 배치되는 전도성 요소를 포함하고,
상기 비전도성 요소는 중심의 상기 전도성 요소의 테를 두르고, 상기 요소들은, 상호 맞물렸을 때, 함께 실질적 평면을 형성하고,
상기 전도성 요소 및 비전도성 요소의 각각은 채널을 포함하고, 상기 채널은, 결합되었을 때, 상기 실질적 평면 상에 유동 패턴을 형성하고,
상기 채널은 상기 비전도성 요소에 또는 상기 비전도성 요소 내에서 제한되거나 그리고/또는 끝난다.
실시형태 2. 실시형태 1의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 비전도성 요소 내의 제한은 상기 평면을 실질적으로 벗어나는 상기 전도성 요소 내에서 대류적 유동을 유발한다.
실시형태 3. 실시형태 1 또는 실시형태 2의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 유동 채널 중 적어도 하나 또는 상기 유동 패턴의 전체는 서로 맞물린 유동 패턴이다.
실시형태 4. 실시형태 1 내지 실시형태 3 중 어느 하나의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 전도성 요소는 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널을 포함한다.
실시형태 5. 실시형태 4의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널의 적어도 일부는 실질적으로 평행한 측벽을 갖는다.
실시형태 6. 실시형태 4의 유체 유동 조립체 of 실시형태 4로서, 여기서 상기 실질적으로 평행한 유동 채널의 각각은 실질적으로 평행한 측벽을 갖는다.
실시형태 7. 실시형태 4 내지 실시형태 6 중 어느 하나의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널은 갱 밀링과 같은 동시에 평행한 절삭을 수행하는 2 개 이상의 공구를 동반하는 기계가공 작업에 의해 형성된다.
실시형태 8. 실시형태 4 내지 실시형태 6 중 어느 하나의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널은 최종적인 망 형상 또는 망 형상에 근접하는 형상으로 성형함으로써 형성된다.
실시형태 9. 실시형태 1 내지 실시형태 8 중 어느 하나의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 유동 패턴은,
복수의 실질적으로 평행한 유동 채널을 포함하는 전도성 제 1 요소, 및
적어도 하나의 플레넘 또는 매니폴드를 포함하는 비전도성 제 2 요소를 포함하고,
각각의 플레넘 또는 매니폴드는 상기 전도성 제 1 요소의 실질적으로 평행한 유동 채널 중 2 개 이상과 유체 연통된다.
실시형태 10. 실시형태 1 내지 실시형태 9 중 어느 하나의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 비전도성 요소(210)는 성형된 플라스틱, 성형된 플라스틱 복합재, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시형태 11. 실시형태 1 내지 실시형태 10 중 어느 하나의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 전도성 플레이트는 유체 확산 매체를 수용하는 함몰부를 갖고, 상기 함몰부는 유동 매체가 인접하는 플레이트의 평탄면에 대해 가압되었을 때 원하는 정도로 압축되거나, 또는 원하는 방식으로 전도성 플레이트에 부착되도록 된 크기를 갖는다.
실시형태 12. 실시형태 11의 유체 유동 조립체로서, 여기서 상기 유동 매체는 금속, 탄소, 폴리머 결합제를 포함하고, 직물, 부직 펠트, 종이, 발포되거나 또는 망상인 유리질 발포체, 천공된 시트, 또는 발포된 메시로 구성된다.
실시형태 13. 실시형태 1 내지 실시형태 12 중 어느 하나의 유체 유동 조립체를 포함하는 에너지 저장 시스템.
본 기술분야의 당업자는 이들 교시에 비추어 본 발명의 많은 개조 및 변경이 가능하고, 이러한 모든 것은 여기서 고찰된다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 실시형태에 더하여, 본 발명은 본 명세서에 기재된 발명과 본 발명의 특징을 보충하는 인용된 종래기술의 특징의 조합으로부터 얻어지는 발명을 고찰하고 청구한다. 유사하게, 임의의 기재된 재료, 기구, 또는 제품은 임의의 기타의 재료, 기구, 또는 제품과 조합되어 사용될 수 있고, 이러한 조합은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에 인용되거나 기재된 각각의 특허, 특허출원 및 특허공보의 개시내용은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 포함된다.

Claims (13)

  1. 유체 유동 조립체로서,
    비전도성 요소 내에 배치되는 전도성 요소를 포함하고,
    상기 비전도성 요소는 중심의 상기 전도성 요소의 테를 두르며(framing), 상기 요소들은, 상호 맞물렸을 때, 함께 실질적 평면을 형성하고,
    상기 전도성 요소 및 비전도성 요소의 각각은 채널을 포함하고, 상기 채널은, 결합되었을 때, 상기 실질적 평면 상에 유동 패턴을 형성하고,
    상기 채널은 상기 비전도성 요소에서 또는 상기 비전도성 요소 내에서 제한되거나 그리고/또는 끝나는, 유체 유동 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전도성 요소에서의 제한 또는 상기 비전도성 요소 내에서의 제한은 상기 평면을 실질적으로 벗어나는 상기 전도성 요소 내의 대류적 유동을 유발하는, 유체 유동 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 채널 중 적어도 하나 또는 상기 유동 패턴의 전체는 서로 맞물린 유동 패턴인, 유체 유동 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 요소는 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널을 포함하는, 유체 유동 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널의 적어도 일부는 실질적으로 평행한 측벽을 갖는, 유체 유동 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 실질적으로 평행한 유동 채널의 각각은 실질적으로 평행한 측벽을 갖는, 유체 유동 조립체.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널은 갱 밀링(gang milling)과 같은 동시에 평행한 절삭을 수행하는 2 개 이상의 공구를 동반하는 기계가공 작업에 의해 형성되는, 유체 유동 조립체.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 실질적으로 평행한 유동 채널은 최종적인 망 형상 또는 망 형상에 근접하는 형상으로 성형함으로써 형성되는, 유체 유동 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 패턴은,
    복수의 실질적으로 평행한 유동 채널을 포함하는 전도성 제 1 요소, 및
    적어도 하나의 플레넘(plenum)을 포함하는 비전도성 제 2 요소를 포함하고,
    각각의 플레넘은 상기 전도성 제 1 요소의 실질적으로 평행한 유동 채널 중 2 개 이상과 유체 연통되는, 유체 유동 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전도성 요소는 성형된 플라스틱을 포함하는, 유체 유동 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 플레이트는 유체 확산 매체를 수용하는 함몰부를 갖고, 상기 함몰부는 유동 매체가 인접하는 플레이트의 평탄면에 대해 가압되었을 때 원하는 정도로 압축되도록 된 크기를 갖는, 유체 유동 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유동 매체는 금속, 탄소, 폴리머 결합제를 포함하고, 직물, 부직 펠트, 종이, 발포되거나 또는 망상인 유리질 발포체, 천공된 시트, 또는 발포된 메시(mesh)로 구성되는, 유체 유동 조립체.
  13. 제 1 항의 유체 유동 조립체를 포함하는 에너지 저장 시스템.
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