KR20160071719A - 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 - Google Patents

일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매니폴드 사이의 전해액 누수 발생을 원천 차단한 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것으로써, 특히, 일체로 형성된 매니폴드에 제1,2전극과 바이폴라 플레이트가 설치되어, 부품수가 감소하여 제조비용이 감소하고 적층이 용이하고 제조시간을 단축시킬 수 있으며 부피가 감소되는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.

Description

일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지{COMBINED COMPLEX ELECTRODE CELL AND REDOX FLOW BATTERY COMPRISING THEREOF}
본 발명은 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것으로써, 특히, 일체로 형성된 1장의 매니폴드에 제1,2전극과 바이폴라 플레이트가 설치되는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
일반적으로 대용량의 전력저장을 이차전지로서 레독스 흐름전지(RFB, redox flow battery)는 유지보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 2차전지로 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 레독스 흐름전지는 레독스 흐름전지는 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트(1a, 1b), 상기 엔드플레이트(1a, 1b) 각각의 내측에 위치하는 집전체(2a, 2b), 상기 집전체(2a, 2b) 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체(2a, 2b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(110)가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드(123, 124), 및 상기 엔드매니폴드(123, 124) 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다.
최외각에 배치되는 상기 엔드플레이트(1a, 1b) 각각의 내측에는 집전체(2a, 2b)가 형성되는데, 상기 집전체(2a,2b)는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 양 말단에 위치한 2개의 집전체(2a, 2b)는 서로 전극을 달리한다.
상기 엔드매니폴드(123, 124)는 상기 집전체(2a, 2b) 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체(2a, 2b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(110)가 안착되고 반대면에 전극이 삽입된다.
상기 엔드매니폴드(123, 124) 사이에는 적어도 두개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다. 상기 분리막(130)은 충전 또는 방전 시 양극 전해액과 음극 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다.
일체형 복합전극셀(140)은 외측에 제1전극(125)이 삽입되는 제1매니폴드(121), 외측에 제2전극(126)이 삽입되는 제2매니폴드(122), 및 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트(110)를 포함하여 이루어진다.
그러나 이러한 종래의 일체형 복합전극셀은 매니폴드를 2개 구비해야 해서 부품수가 많고, 이로 인해 부피도 증가되며, 두개의 매니폴드 사이로 전해액이 누수되는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제11309262호
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 2개의 매니폴드를 사용함으로 인해 매니폴드 사이에서 발생하는 전해액 누수 문제를 원천적으로 차단할 수 있는 동시에 부품수가 감소하여 제조비용이 감소하고 적층이 용이하고 제조시간을 단축시킬 수 있으며 부피가 감소되는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일체형 복합전극셀은, 일측에 삽입공이 형성되고, 타측에 상기 삽입공에 연통되는 안착홈이 형성되는 매니폴드와, 상기 삽입공에 삽입되어 상기 매니폴드 일측에 배치되는 제1전극과, 상기 안착홈에 삽입되어 상기 매니폴드 타측에 배치되는 제2전극과, 상기 안착홈에 안착되어 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 배치되는 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 매니폴드는 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에서, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 단면적은 서로 다르며, 상기 바이폴라 플레이트와 상기 매니폴드 사이에는 실링부재가 배치되며, 상기 바이폴라 플레이트는 상기 매니폴드에 접착제 또는 열융착을 통해 설치되고, 상기 매니폴드 양측에는 유로가 각각 형성될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지는, 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트와, 상기 엔드플레이트 각각의 내측에 위치하는 집전체와, 상기 집전체 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드, 및 상기 엔드매니폴드 사이에 위치하는 적어도 두 개의 분리막과, 일측에 삽입공이 형성되고, 타측에 상기 관통공에 연통되는 안착홈이 형성되는 매니폴드와, 상기 삽입공에 삽입되어 상기 매니폴드 일측에 배치되는 제1전극과, 상기 안착홈에 삽입되어 상기 매니폴드 타측에 배치되는 제2전극과, 상기 안착홈에 안착되어 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 배치되는 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 분리막 사이에 배치되는 일체형 복합전극셀을 포함하며, 상기 매니폴드는 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
일체로 형성된 매니폴드에 제1,2전극과 바이폴라 플레이트가 설치되어, 부품수가 감소하여 제조비용이 감소하고 적층이 용이하고 제조시간을 단축시킬 수 있으며 부피가 감소되어 적층 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 식판을 쌓아올리듯 적층이 용이하여 적층 작업 시간 및 비용을 획기적으로 줄일수 있고, 구조가 단순해질 수 있다. 또한, 매니폴드를 1장만 사용하기 때문에 매니폴드 사이에서 전해액이 누수되는 문제도 원천적으로 차단할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부피당 에너지 밀도를 고려하여 볼 때 기존의 레독스 흐름전지에 비해 에너지 밀도가 증가된 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
1장의 매니폴드에 1장의 바이폴라플레이트를 적층할 수 있어서 매니폴드가 단순화 되는 이점이 있다.
두 전극의 단면적이 달라서, 첨가제 없이도 상대적으로 낮은 반응성을 가진 음극 부분의 반응성을 향상시킬 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트와 상기 매니폴드 사이에는 실링부재가 배치되거나, 상기 바이폴라 플레이트는 상기 매니폴드에 접착제 또는 열융착을 통해 설치되어, 전해액의 누수를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 종래의 일체형 복합전극셀의 결합 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 복합전극셀 분리 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일체형 복합전극셀 결합 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레독스 흐름전지는, 전해액 주입구 및 배출구(1160)를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트(11a, 11b), 상기 엔드플레이트(11a, 11b) 각각의 내측에 위치하는 집전체(12a, 12b), 상기 집전체(12a, 12b) 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체(12a, 12b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(1110)가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드(1123, 1124), 및 상기 엔드매니폴드(1123, 1124) 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막(1130)과 상기 분리막(1130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(1140)을 포함하여 이루어진다.
상기 엔드플레이트(11a, 11b)는 전체적인 레독스 흐름전지의 윤곽을 형성하는 역할을 하는 것으로서 최외각에 배치되며 각각 전해액 주입구와 전해액 배출구(1160)가 형성되는데, 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 통상의 플레이트에 전해액이 주입되거나 배출될 수 있는 통로를 형성하면 용이하게 형성할 수 있다. 여기서 전해액 주입구와 전해액 배출구는 도면에 도시하지는 않았지만 양극전해액탱크 및 음극전해액탱크와 연결되어 있으며, 별도로 구비된 펌프의 구동에 의해 양극전해액과 음극전해액이 순환하게 된다.
상기 엔드플레이트(11a, 11b)는 절연체를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 엔드플레이트(11a, 11b)는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 및 염화비닐(PVC)등의 고분자를 사용하여 형성될 수 있으며, 가격 및 구입의 용이성 등을 고려하면 염화비닐(PVC)을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 엔드매니폴드(1123, 1124)는 상기 집전체(12a, 12b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(1110)가 삽입되고 반대면에 전극이 삽입된다.
두개의 엔드매니폴드(1123, 1124) 중 상부에 배치되는 엔드매니폴드(1123)는 일측에 삽입공이 형성되고, 타측에 상기 삽입공에 연통되는 안착홈이 형성되어, 상기 삽입공에 전극이 삽입되고, 상기 안착홈에 바이폴라 플레이트(1110)가 안착된다.
상기 바이폴라 플레이트(1110)는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 도전성플레이트를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트(1110)는 도전성 그라파이트 플레이트를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트(1110)는 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 그라파이트 플레이트를 단독으로 사용하는 경우에는 전해액에 사용된 강산이 그라파이트를 투과할 수 있는 바, 강산의 투과를 막기 위하여 페놀수지에 함침된 그라파이트 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전극은 전해액의 산화환원을 위한 활성 사이트(active site)를 제공하는 것으로서 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 바람직하게 펠트전극이 사용될 수 있다.
예를 들어 상기 펠트전극은 부직포 및 탄소섬유 및 탄소 페이퍼 등이 사용될 수 있다. 바람직하게 상기 펠트전극은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(Rayon) 계열로 형성된 탄소섬유펠트전극일 수 있다.
상기 엔드매니폴드(1123, 1124)는 위치에 따라 양극용 또는 음극용으로 사용될 수 있으며, 상기 전극이 삽입되는 면에는 용도에 따라 양극전해액 또는 음극전해액이 이동하기 위한 통로인 유로가 형성된다.
상기 분리막(1130)은 충전 또는 방전 시 양극 전해액과 음극 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다.
일체형 복합전극셀(1140)은 일측에 삽입공(1121)이 형성되고, 타측에 상기 삽입공(1121)에 연통되는 안착홈(1122)이 형성되는 매니폴드(1120)와, 상기 삽입공(1121)에 삽입되어 상기 매니폴드(1120) 일측에 배치되는 제1전극(1125)과, 상기 안착홈(1122)에 삽입되어 상기 매니폴드(1120) 타측에 배치되는 제2전극(1126)과, 상기 안착홈(1122)에 안착되어 상기 제1전극(1125)과 상기 제2전극(1126) 사이에 배치되는 바이폴라 플레이트(1110)를 포함하며, 상기 매니폴드(1120)는 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
매니폴드(1120)는 프레임 형상으로 형성되며, 안착홈(1122)의 단면적은 삽입공(1121)의 단면적보다 크게 형성된다. 따라서, 매니폴드(1120) 내측에는 안착홈(1122)과 삽입공(1121) 사이에 걸림턱(1141)이 돌출되게 형성된다. 본 실시예에서 매니폴드(1120)의 타측은 상부이며, 일측은 하부이다.
매니폴드(1120) 양측에는 유로(미도시)가 각각 형성된다. 상기 유로는 전해액이 이동하기 위한 통로로서 양극전해액 또는 음극전해액이 이동되며, 그 형상은 다양하게 변형가능하다. 아울러 상기 매니폴드(1120)에는 양극전해액 또는 음극전해액을 상기 유로에 공급하거나 상기 유로로부터 배출하기 위한 주입구 및 배출구가 구비될 수 있으며, 이는 당업자라면 용이하게 형성 가능한 것이다.
제1전극(1125)은 두께가 일정한 사각형의 평판형상으로 형성된다. 제1전극(1125)은 삽입공(1121)의 형상에 대응되도록 형성된다.
제1전극(1125)는 삽입공(1121)에 삽입되어, 매니폴드(1120)의 하부에 배치된다.
제2전극(1126)은 두께가 일정한 사각형의 평판형상으로 형성된다. 제2전극(1126)은 제1전극(1125)보다 단면적이 크도록 형성된다.
제1전극(1125)과 제2전극(1126) 중 하나는 음극전극이 되고, 나머지 하나는 양극 전극이 된다. 두 전극의 단면적이 서로 다르게 형성되어 상대적으로 반응성이 낮은 전극의 단면적을 크게 하여 반응성을 향상시킬 수 있다.
제2전극(1126)은 안착홈(1122)에 삽입되어, 매니폴드(1120)의 상부에 배치된다. 제2전극(1126)은 안착홈(1122)의 형상에 대응되도록 형성된다.
바이폴라 플레이트(1110)는 제2전극(1126) 형상에 대응되도록 형성된다.
바이폴라 플레이트(1110)와 매니폴드(1120)의 내벽 사이에는 가스켓과 같은 실링부재(150)가 배치될 수 있다.
실링부재(150)는 오링으로 형성되며, 단면형상이 평판형상으로 형성된다. 이와 같이 실링부재(150)가 형성되어 실링 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
실링부재(150)는 걸림턱(1141) 상부에 배치된다. 즉, 실링부재(150)는 걸림턱(1141)과 바이폴라 플레이트(1110) 가장자리 사이에 배치된다.
또한, 바이폴라 플레이트(1110)는 상기 매니폴드(1120) 내측에 접착제 또는 열융착을 통해 설치될 수 있다.
이러한 본 실시예의 레독스 흐름전지는 맨 아래에 엔드플레이트(11a)를 놓고 그 위에 엔드매니폴드(1124)를 적층시킨 후에 그 위에 분리막(1130)과 일체형 복합전극셀(1140)을 교대로 적층시킨 후에 그 위에 엔드매니폴드(1123)를 적층시키고 그 위에 엔드플레이트(11b)를 적층시켜서 조립한다. 적층시 일체형 복합전극셀(1140)은 안착홈(1122)이 상부를 향하도록 배치된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 일체로 형성된 매니폴드(1120)에 제1,2전극(1125, 1126)과 바이폴라 플레이트(1110)가 설치되어, 부품수가 감소하여 제조비용이 감소하고 적층이 용이하고 제조시간을 단축시킬 수 있으며 부피가 감소되어 적층 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 식판을 쌓아올리듯 적층이 용이하여 적층 작업 시간 및 비용을 획기적으로 줄일수 있고, 구조가 단순해질 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부피당 에너지 밀도를 고려하여 볼 때 기존의 레독스 흐름전지에 비해 에너지 밀도가 증가된 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
11a, 11b : 엔드플레이트 12a, 12b : 집전체
1110 : 바이폴라 플레이트 1120 : 매니폴드
1123, 1124 : 엔드매니폴드 1125 : 제1전극
1126 : 제2전극 1130 : 분리막
1140 : 일체형 복합전극셀 1141 : 안착홈

Claims (6)

  1. 일측에 삽입공이 형성되고, 타측에 상기 삽입공에 연통되는 안착홈이 형성되는 매니폴드;
    상기 삽입공에 삽입되어 상기 매니폴드 일측에 배치되는 제1전극;
    상기 안착홈에 삽입되어 상기 매니폴드 타측에 배치되는 제2전극;
    상기 안착홈에 안착되어 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 배치되는 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 매니폴드는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극의 단면적은 서로 다른 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트와 상기 매니폴드 사이에는 실링부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 상기 매니폴드에 접착제 또는 열융착을 통해 설치되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 매니폴드 양측에는 유로가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 복합전극셀.
  6. 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트;
    상기 엔드플레이트 각각의 내측에 위치하는 집전체;
    상기 집전체 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드, 및
    상기 엔드매니폴드 사이에 위치하는 적어도 두 개의 분리막;
    일측에 삽입공이 형성되고, 타측에 상기 관통공에 연통되는 안착홈이 형성되는 매니폴드와, 상기 삽입공에 삽입되어 상기 매니폴드 일측에 배치되는 제1전극과, 상기 안착홈에 삽입되어 상기 매니폴드 타측에 배치되는 제2전극과, 상기 안착홈에 안착되어 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 배치되는 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 분리막 사이에 배치되는 일체형 복합전극셀을 포함하며,
    상기 매니폴드는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
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