KR20160136266A - 격자형 흐름전극구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전해질을 공급하는 격자지지체로 골격을 이루는 것에 의해, 장치비용을 낮추고 작은 공간을 차지하면서도 대용량화시킬 수 있는 격자형 흐름전극구조체에 관한 것으로, 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치에 활용될 수 있다.

Description

격자형 흐름전극구조체{Lattice type flow cell structure}
본 발명은 격자형 흐름전극구조체에 관한 것으로, 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전해질을 공급하는 격자지지체로 골격을 이루는 것에 의해, 장치비용을 낮추고 작은 공간을 차지하면서도 대용량화시킬 수 있는 흐름전극구조체에 관한 것이다.
최근 세계 각국은 대기환경 오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위해 청정대체 에너지 개발에 노력을 기울이고 있으며 특히 최근에는 해양 농도차를 이용한 발전이 새로운 화두로 크게 대두되고 있다.
이와 함께 다양한 대체 에너지를 통해 생성된 전기에너지를 저장할 수 있는 대용량 전력저장기술 개발은 미래 녹색산업기반의 핵심으로 대두되고 있다. 이러한 미래 전력저장 기술의 대부분은 Li이온 전지 또는 슈퍼캐패시터(Super capacitor)와 같이 이온의 흡착(충전) 및 탈착(방전) 원리를 이용한 방식으로 세계 각국은 소재부품의 충방전 특성의 개선을 통한 고효율 컴팩트화와 대용량화를 위해 많은 연구개발 노력을 진행중이다.
한편, 최근에는 수질오염 및 물부족에 대비한 정수 또는 폐수처리, 해수담수화와 같은 수처리 분야에서도 이와 동일한 원리를 이용하여 기존의 증발법이나 역삼투압(RO)법에 비해 매우 낮은 에너지 비용만으로 수처리가 가능한 공정, 즉 축전식 탈염(Capacitive Deionization: CDI) 공정개발이 진행중이다.
이러한 동일 원리를 이용한 전력저장과 수처리 시스템에 있어 가장 큰 문제는 대용량화시 효율저하와 고가의 장치비용이다. 즉 스케일업을 위한 전극의 대면적화, 이에 따른 전극내 전기장 분포의 불균일, 집전체에 코팅되는 박막전극의 제한된 활물질 량, 코팅과정에서 바인더에 의한 활물질과 전해질의 접촉면적 감소 및충방전 효율저하 등으로 다수의 단위셀 스택화가 필요하고, 이에 따른 장치의 고가화, 특히 CDI(Capacitive Deionization) 공정의 경우 스택(stack) 내 물(전해질) 흐름의 압력손실에 의한 운전비용의 증가가 문제점으로 지적되고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 축전식 흐름전극장치(한국특허 제10-1233295호)를 개발하였고, 이를 발전(한국특허 제10-1318331호), 에너지 저장(한국특허 제10-1210525호), 수처리(한국특허 제10-1221562호) 등에 사용하였다.
상기의 발명에서 제안한 흐름전극으로 무한한 전극용량가진 전극을 단위셀에 공급하는 것이 가능하였지만 흐름전극을 이용한 장치들을 비롯한 레독스 흐름전지(redox flow battery) 등의 종래기술은 대용량화를 위해서는 전극면적을 늘리거나, 스택화를 하여야 하는데, 이 경우 종래기술에서는 양극집전체 및 음극집전체를 비롯한 단위구성요소들을 무한히 적층하게 된다.
이 결과, 단위셀의 적층은 부피가 크게 증대할 뿐만 아니라, 많은 유로로 인하여 부품수가 증대하여 장치를 제작하기 위한 비용이 커진다는 큰 문제가 있다.
한국특허 제10-1233295호 한국특허 제10-1318331호 한국특허 제10-1210525호 한국특허 제10-1221562호 한국특허 제10-1327741호
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전해질을 공급하는 격자지지체로 골격을 이루는 것에 의해, 장치비용을 낮추고 작은 공간을 차지하면서도 대용량화시킬 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명 중 첫번째 형태의 흐름전극구조체는, 축방향으로 길게 형성되고, 액체침투성 벽체에 의해 전해질이 유동되고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널에 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 정극이온교환집전체의 중심으로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및 상기 격자지지체의 채널에 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 부극이온교환집전체의 중심으로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극을 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극이 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체이다.
두번째 형태의 흐름전극구조체는, 첫번째 형태의 흐름전극구조체에 전해질유로를 추가적으로 포함하는 것이 특징이다. 즉, 축방향으로 길게 형성되고, 액체침투성 벽체에 의해 전해질이 유동되고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널에 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 정극이온교환집전체의 중심으로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 상기 격자지지체의 채널에 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 부극이온교환집전체의 중심으로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극; 및 상기 채널의 내부로 전해질이 흐르는 전해질유로를 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되고, 상기 흐름부극의 주위로는 상기 흐름정극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
세번째 형태의 흐름전극구조체는, 격자지지체가 상이하다. 즉, 축방향으로 길게 형성되고, 분리막으로 이루어지고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 정극판이 배치되고, 상기 다공성 정극판의 내부로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 부극판이 배치되고, 상기 다공성 부극판의 내부로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극을 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극이 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
네번째 형태의 흐름전극구조체는, 세번째 형태의 흐름전극구조체에 전해질유로를 추가적으로 포함하는 것이 특징이다. 즉, 축방향으로 길게 형성되고, 분리막으로 이루어지고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체; 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 정극판이 배치되고, 상기 다공성 정극판의 내부로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 상기 격자지지체의 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성 부극판이 배치되고, 상기 다공성 부극판의 내부로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및 상기 채널의 내부로 전해질이 흐르는 전해질유로를 포함하고, 상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되고, 상기 흐름부극의 주위로는 상기 흐름정극 또는 상기 전해질 유로가 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 정극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 정극이온교환막과, 상기 정극이온교환막의 내측에 접하도록 다공성정극판을 적층하여 이루어지고, 상기 부극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 부극이온교환막과, 상기 부극이온교환막에 내측에 접하도록 다공성부극판을 적층하여 이루어질 수 있다.
또, 다른 형태로, 상기 정극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 다공성정극판과, 상기 다공성정극판의 내측에 접하도록 정극이온교환막을 적층하여 이루어지고, 상기 부극이온교환집전체는, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치되는 다공성부극판과, 상기 다공성부극판의 내측에 접하도록 부극이온교환막을 적층하여 이루어지는 것도 가능하다.
첫번째와 두번째 형태의 흐름전극구조체에서, 상기 격자지지체는, 제올라이트, 세라믹, 또는 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 상기 세라믹 재료로는 산화알루미늄, 산화규소, 탄화규소, 질화규소 등을 사용할 수 있으며, 상기 고분자 물질로는, 플라스틱, 고분자 섬유 등을 사용할 수 있다.
그리고, 세번째 형태의 흐름전극구조체에서는 프로톤만 투과시키는 세공충진막으로 이루어질 수 있다. 또, 네번째 형태의 흐름전극구조체에서는 이온을 투과시키는 세공충진막으로 이루어질 수 있다.
또, 상기 다공성정극판 및 상기 다공성부극판은 다공성 탄소 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 다공성 탄소 플레이트는 그라파이트, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄, 카본나노튜브 등을 이용하여 제작될 수 있다.
또, 상기 채널의 단면형상은 원형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 첫번째와 두번째, 그리고 네번째의 흐름전극구조체로는 이루어지고 축전식 흐름전극장치를 형성할 수 있다.
또, 세번째 형태의 흐름전극구조체로는 이루어지는 레독스 흐름전지장치를 형성할 수 있다.
적층시 흐름정극 및 흐름부극을 인접하는 전극유니트에서 공유하도록 하여 발전, 에너지저장, 탈염 등의 대단위 플랜트에 적합하도록 전극용량을 확대시키면서도 부품수를 줄여서 제조비용과 설치공간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치를 제공할 수 있다.
또, 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치 외에도, 이온 또는 플라톤을 이동하면서 전기를 발전, 에너지저장, 탈염하는 장치에는 모두 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 기본구조를 이루는 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 3은 도 2의 축전식 흐름전극장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 6에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 7에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 8에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 9에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 10에 따른 축전식 흐름전극장치의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 11에 따른 레독스 흐름전극장치의 개략도이다.
도 14는 일반적인 레독스 흐름전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 흐름전극구조체에 의해서는 축전식 흐름전극장치 또는 레독스 흐름전극장치를 제작할 수 있다. 따라서, 본 발명의 흐름전극구조체는 축전식 흐름전극장치와 레독스 흐름전극장치를 예로 하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 기본구조를 이루는 축전식 흐름전극장치(100)에 대해 설명한다. 이 때, 상기 축전식 흐름전극장치(100)는 전해질로부터 전기를 생산하는 발전장치에 사용되는 경우를 예로 하여 설명한다. 본 발명에서, 정극은 캐소드(cathode)를 의미하며, 부극은 애노드(anode)를 의미한다. 탈염 또는 방전에서는 극성이 바뀔 수 있다.
상기 축전식 흐름전극장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질 유로(102)를 중심으로 그 양측에 흐름정극(112)과 흐름부극(114)가 배치된다. 상기 전해질 유로(102)와 상기 흐름정극(112) 사이에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 전해질 유로(102)와 상기 흐름부극(114) 사이에는 부극이온교환집전체가 배치된다. 그리고, 상기 흐름정극(112)의 외측과 상기 흐름부극(114)의 외측으로 유로를 형성하기 위한 폐쇄플레이트(116,118)가 배치된다.
상기 흐름정극(112)은 전극용액에 정극활물질(111)이 혼합되어 분산된 슬러리 상태로 흐르는 유로를 의미한다. 그리고, 상기 흐름부극(114)은 전극용액에 부극활물질(113)이 혼합되어 분산된 슬러리 상태로 흐르는 유로를 의미한다. 상기 흐름정극(112)과 상기 흐름부극(114)은 유로를 형성할 수 있는 격자지지체가 내부에 사용될 수 있다. 상기 양극활물질 및 상기 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수 있으며, 이 경우에 양자를 합쳐서 전극활물질이라고 명명한다. 상기 양극활물질 및 상기 음극활물질은 다공성 탄소(활성탄, 카본파이버, 탄소에어로젤, 탄소나노튜브 등), 흑연분말, 금속산화물 분말 등이 사용될 수 있다.
또, 상기 전극용액은 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 전극용액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다.
상기 정극이온교환집전체는 도 1에 도시된 바와 같이, 정극이온교환막(104)과 다공성정극판(106)을 적층한 것을 사용할 수 있다. 상기 정극이온교환막(104)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(106)은 상기 흐름정극(112) 측에 배치된다. 반대로, 상기 정극이온교환막(104)은 상기 흐름정극(112) 측에 배치되고, 상기 다공성정극판(106)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되는 것도 가능하다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 도 1에 도시된 바와 같이, 부극이온교환막(108)과 다공성부극판(110)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 상기 부극이온교환막(108)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(110)은 상기 흐름부극(114) 측에 배치된다. 반대로, 상기 부극이온교환막(108)은 상기 흐름부극(114) 측에 배치되고, 상기 다공성부극판(110)은 상기 전해질 유로(102) 측에 배치되는 것도 가능하다.
상기 부극이온교환집전체과 상기 정극이온교환집전체는 이온만을 투과시키는 전기 전도성 재질이 개발된다면, 상술한 적층형의 부극이온교환집전체 또는 정극이온교환집전체보다 더욱 두께를 줄일 수 있다.
상기 다공성정극판(106) 및 상기 다공성부극판(110)으로는 전기가 통하면서도 유체가 통과할 수 있는 물질, 예를 들어 다공성 탄소플레이트를 사용할 수 있다. 상기 탄소 탄소플레이트는 그라파이트, 그래핀, 탄소섬유, 활성탄, 카본나노튜브 등으로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 양이온 분리막(104)은 전해질 액체의 유통을 막고 양이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이고, 상기 음이온 분리막(108)은 전해질 액체의 유통을 막고 음이온만 선택적으로 통과시키는 치밀막이다. 상기 양이온 분리막(104)과 상기 음이온 분리막(108)은 공지의 이온 분리막을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 전해질 유로(102)에는 전해질이 이동하며, 상기 전해질로는 상기 전극용액과 마찬가지로 NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3 등 수용성 전해질액과, 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran, THF)와 같은 유기성 전해질액을 포함할 수 있다. 특히, 상기 전극용액으로써 다량의 염(특히, NaCl)이 함유된 염수 또는 미량의 염이 함유된 담수를 사용하는 것이 가능하다. 상기 전해질 유로(102)은 유로를 형성할 수 있는 격자지지체가 내부에 사용될 수 있다.
상기 전해질 유로(102)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(112) 및 상기 흐름부극(114)의 유체의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
또, 상기 전해질 유로(102)는 전해질이 흐르는 공간으로 형성되는 것도 가능하지만, 격자지지체가 상기 전해질 유로(102) 내부에 채워질 수 있다. 상기 격자지지체는 절기적 절연체이며, 전해질이 이동하기 용이하도록 섬유조직으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 폐쇄플레이트(116,118)는 비전기 전도성 플레이트를 사용할 수도 있고, 전기 전도성이 있는 금속판을 사용할 수도 있다. 전기 전도성 금속판을 사용하는 경우에는 추가 집전체로써 활용될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 축전식 흐름전극장치(100)를 발전장치로 활용할 경우의 작동원리에 대하여 설명한다. 상기 전해질 유로(102)로 양이온과 음이온을 가지는 전해질을 흘리면, 상기 정극이온교환집전체를 통과한 양이온이 상기 흐름정극(112)로 이동하고 상기 부극이온교환집전체를 통과한 음이온이 상기 흐름부극(114)로 이동하면, 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114) 사이에 전위차가 발생하게 된다. 이 전위차가 상기 상기 다공성정극판(106)과 상기 다공성부극판(110)을 통해 외부로 전기적으로 연결되면, 상기 축전식 흐름전극장치(100)는 발전유니트로써 활용될 수 있다.
반대로, 상기 다공성정극판(106)과 상기 다공성부극판(110)에 전위차가 발생하도록 외부에서 전류를 흘리면, 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114)로 상기 전해질 유로(102)를 흐르는 전해질로부터 강제로 양이온과 음이온이 이동하면서, 전해질을 탈염시키게 된다.
또, 동시에 상기 흐름정극(112)와 상기 흐름부극(114)를 흐르는 슬러리에 전하가 채워지므로, 상기 슬러리를 저장하여 전기 저장장치로 활용하는 것도 가능하다.
다음으로 상기 축전식 흐름전극장치(100)를 기본으로 하여, 격자지지체(202)를 활용하는 것에 의해 전기용량을 확장한 실시예 1에 따른 축전식 흐름전극장치(200)를 도 2 및 도 3을 이용하여 설명한다. 상기 축전식 흐름전극장치(200)는 실시예1의 축전식 흐름전극장치(100)를 확장한 것이며, 기본적인 구성은 동일하다.
상기 격자지지체(202)는 도 2에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 축전식 흐름전극장치(200)는 상기 채널에 흐름정극(201)과 흐름부극(203)이 배치된다. 상기 흐름정극(201)에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 흐름부극(203)에는 부극이온교환집전체가 배치된다.
상기 흐름정극(201)에 흐르는 전극용액(212)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(203)에 흐르는 전극용액(214)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 정극이온교환집전체는 정극이온교환막(204)과 다공성정극판(206)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 즉, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 상기 정극이온교환막(204)이 배치되고, 상기 다공성정극판(206)이 상기 정극이온교환막(204)의 내측에 맞닿도록 배치된다. 따라서, 상기 정극이온교환막(204)과 상기 다공성정극판(206)이 적층된 관체를 이룬다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 부극이온교환막(208)과 다공성부극판(210)을 상기 채널의 내벽면으로부터 순서대로 중첩하여 적층한 것을 사용할 수 있다. 따라서, 상기 부극이온교환막(208)과 상기 다공성부극판(210)은 관체를 이룬다.
그리고, 추가적으로 전해질유로(216)가 포함될 수 있다.
상기 전해질 유로(216)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(201) 및 상기 흐름부극(203)의 전극용액의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
상기 격자지지체(202)는, 전해질 용액에 일부가 담겨져서 중력 또는 모세관 현상에 의해 자연적으로 전해질이 이동하도록 하거나, 상기 전해질 유로(216)에 강제로 유동되는 전해질이 상기 격자지지체(202)의 벽체로 스며들면서 유동될 수 있다.
상기 흐름정극(201)의 주위로는 상기 흐름부극(203) 만이 배치되거나, 흐름부극(203) 또는 상기 전해질 유로(216)가 배치될 수 있다. 마찬가지로, 상기 흐름부극(203)의 주위로는 상기 흐름정극(201)만이 배치되거나, 흐름정극(201) 또는 상기 전해질 유로(216)가 배치될 수 있다.
실시예 1에서는 전해질 유로(216)를 포함하고 있으나, 전해질 유로(216)가 없는 경우에는, 상기 흐름정극(201)과 상기 흐름부극(203) 만으로 채널이 구성되는 것도 가능하다. 이와 같은 구성은 아래의 실시예 8(도 10 참조)에 나타난다.
실시예 1에서는, 전해질 유로(216)의 주위로 흐름정극(201)과 흐름부극(203)이 서로 마주보는 형태를 가지며, 동시에 흐름정극(201)과 흐름부극(203)은 대각선 방향으로 배치된다. 그리고, 상기 전해질 유로(216)는 대각선 방향으로 배치된다.
좀 더 설명하면, 인접하는 흐름정극(201)과 흐름부극(203) 사이에 위치하는 격자지지체(202)의 벽체가, 도 1에서 설명한 것과 같은 음이온과 양이온의 이동이 일어나게 된다. 이러한, 음이온과 양이온의 이동이 상기 격자지지체(202) 전제적으로 발생되면서, 상기 흐름전극장치(200)의 용량은 크게 증가하게 된다. 그리고, 상기 전해질 유로(216)는 지속적으로 전해질을 공급해 주는 역할을 하게 된다.
도 4 내지 도 9는 실시예 2 내지 7에 따른 축전식 흐름전극장치(218,220,222,224,226,228)를 도시한다. 실시예 1과 동일한 구성이지만, 흐름정극(201)과 흐름부극(203)과 전해질 유로(216)의 배치모습이 상이하다. 따라서, 설계자의 의도에 따라 다양한 형태의 배열이 가능하며, 이를 통해 흐름전극의 공급이 계속 된다면 무한한 흡착용량에 의해 지속적으로 탈염이 됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예 8에 따른 축전식 흐름전극장치(230)를 도시한다. 상기 축전식 흐름전극장치(230)는 전해질 유로를 생략하고, 전해질은 오로지 격자지지체(202)에 의해서만 전달하게 된다. 따라서, 실시예 1 내지 실시예 8에 비해 크기를 더욱 작게 할 수 있는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 실시예 9에 따른 축전식 흐름전극장치(300)를 도시한다. 상기 축전식 흐름전극장치(300)는 도 1의 축전식 흐름전극장치(200)와 정극이온교환집전체와 부극이온교환집전체의 배치방식이 반대이다.
격자지지체(302)는 도 11에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 축전식 흐름전극장치(300)는 상기 채널에 흐름정극(301)과 흐름부극(303)이 배치된다. 상기 흐름정극(301)에는 정극이온교환집전체가 배치되고, 상기 흐름부극(303)에는 부극이온교환집전체가 배치된다.
상기 흐름정극(301)에 흐르는 전극용액(312)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(303)에 흐르는 전극용액(314)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 정극이온교환집전체는 정극이온교환막(304)과 다공성정극판(306)을 중첩한 것을 사용할 수 있다. 즉, 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 다공성정극판(306)이 배치되고, 정극이온교환막(304)가 상기 다공성정극판(306)의 내측에 맞닿도록 배치된다. 따라서, 상기 다공성정극판(306)과 상기 정극이온교환막(304)이 적층된 관체를 이룬다.
또, 상기 부극이온교환집전체는 다공성부극판(310)과 부극이온교환막(308)을 상기 채널의 내벽면으로부터 순서대로 중첩하여 적층한 것을 사용할 수 있다. 따라서, 상기 다공성부극판(310)과 상기 부극이온교환막(308)은 관체를 이룬다.
그리고, 추가적으로 전해질유로(316)가 포함될 수 있다.
상기 전해질 유로(316)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(301) 및 상기 흐름부극(303)의 전극용액의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다.
상기 격자지지체(302)는, 전해질 용액에 일부가 담겨져서 중력 또는 모세관 현상에 의해 자연적으로 전해질이 이동하도록 하거나, 상기 전해질 유로(316)에 강제로 유동되는 전해질이 상기 격자지지체(302)의 벽체로 스며들면서 유동될 수 있다.
상기 흐름정극(301)의 주위로는 상기 흐름부극(303) 만이 배치되거나, 흐름부극(303) 또는 상기 전해질 유로(316)가 배치될 수 있다. 마찬가지로, 상기 흐름부극(303)의 주위로는 상기 흐름정극(301)만이 배치되거나, 흐름정극(301) 또는 상기 전해질 유로(316)가 배치될 수 있다.
실시예 9에서는, 전해질 유로(316)의 주위로 흐름정극(301)과 흐름부극(303)이 서로 마주보는 형태를 가지며, 동시에 흐름정극(301)과 흐름부극(303)은 대각선 방향으로 배치된다. 그리고, 상기 전해질 유로(316)는 대각선 방향으로 배치된다.
좀 더 설명하면, 인접하는 흐름정극(301)과 흐름부극(303) 사이에 위치하는 격자지지체(302)의 벽체에서 음이온과 양이온의 이동이 일어나게 된다. 이러한, 음이온과 양이온의 이동이 상기 격자지지체(302) 전제적으로 발생되면서, 상기 축전식 흐름전극장치(300)의 용량은 크게 증가하게 된다. 그리고, 상기 전해질 유로(316)는 지속적으로 전해질을 공급해 주는 역할을 하게 된다.
실시예 9과 같은 구조를 이용하여, 실시예 1 외에 실시예 2 내지 8의 구조를 가지도록 배치하는 것도 가능하다.
도 12은 본 발명의 실시예 10에 따른 축전식 흐름전극장치(400)를 도시한다. 상기 축전식 흐름전극장치(400)는 도 1의 축전식 흐름전극장치(200)과 달리, 격자지지체(402)가 이온의 이동 및 구조물의 역할을 하며, 전해질의 이동은 전해질 유로(416)에 의한다.
격자지지체(402)는 도 12에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 격자지지체(402)는, 구조물을 형성하도록 하는 다공성 지지체에 이온을 선택적으로 투과시키는 코팅층을 상기 다공성 지지체의 공극에 코팅한 세공충진막을 사용할 수 있다.
상기 축전식 흐름전극장치(400)는 상기 채널에 흐름정극(401)과 흐름부극(403)이 배치된다. 상기 흐름정극(301)에는 다공성정극판(404)이 배치되고, 상기 흐름부극(403)에는 다공성부극판(410)이 배치된다.
상기 흐름정극(401)에 흐르는 전극용액(412)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(403)에 흐르는 전극용액(414)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 다공성정극판(404) 및 상기 다공성부극판(410)은 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치된다.
그리고, 추가적으로 전해질유로(416)가 포함된다.
상기 전해질 유로(416)의 전해질 이동방향과 상기 흐름정극(401) 및 상기 흐름부극(403)의 전극용액의 이동방향은 서로 동일하거나 반대방향일 수 있다. 그리고, 상기 흐름정극(401) 및 상기 흐름부극(403)에의 전해질의 공급은 상기 전해질유로(416)에 의해 이루어진다. 따라서, 실시예 10에서는, 전해질 유로(416)의 주위로 흐름정극(401)과 흐름부극(403)이 서로 마주보는 형태를 가지며, 동시에 흐름정극(401)과 흐름부극(403)은 대각선 방향으로 배치된다. 그리고, 상기 전해질 유로(416)는 대각선 방향으로 배치된다.
좀 더 설명하면, 인접하는 흐름정극(401)과 흐름부극(403) 사이에 위치하는 격자지지체(402)의 벽체에서 음이온과 양이온의 이동이 일어나게 된다. 이러한, 음이온과 양이온의 이동이 상기 격자지지체(402) 전제적으로 발생되면서, 상기 축전식 흐름전극장치(400)의 용량은 크게 증가하게 된다. 그리고, 상기 전해질 유로(416)는 지속적으로 전해질을 공급해 주는 역할을 하게 된다.
다음으로 도 13을 이용하여 본 발명의 실시예 11에 따른 레록스 흐름전극장치(418)에 대해서 설명한다. 이에 앞서서. 레독스 흐름전극장치(120)의 일반적인 구성을 도 14를 통해 설명한다.
상기 레독스 흐름전극장치(120)는 분리막(130)을 기준으로 양측에 전극용액이 흐르는 정극유로(126)와 부극유로(128)가 형성되고, 상기 정극유로(126) 및 상기 부극유로(128) 각각에는 전기를 모으는 정극집전체(122)와 부극집전체(124)가 배치된다.
상기 정극유로(126)에는 정극용액탱크(132)에 저장된 정극용액이 정극펌프(134)에 의해 순환하게 되고, 상기 부극유로(128)에는 부극용액탱크(136)에 저장된 부극용액이 부극펌프(138)에 의해 순환하게 된다. 정극용액과 부극용액은 일반적으로 아연이온과 브롬이온을 포함하는 전해질용액을 사용한다.
따라서, 상기 분리막(130)을 기준으로 상기 정극유로(126)와 상기 부극유로(128)에서 산화환원반응이 일어나면서, 전기를 방출하거나 축전하게 된다.
이러한 원리를 구현하는 레독스 흐름전극장치(418)는, 프로톤만을 투과시키는 격자지지체(402)와, 상기 격자지지체(402)의 채널에 배치되는 흐름정극(401)과 흐름부극(403)을 포함하여 이루어진다.
상기 격자지지체(402)는 도 13에 도시된 바와 같이, 단면이 사각형으로 관통된 채널이 복수개가 형성되는 격자형태의 구조물이다. 상기 채널은 사각형 이외의 원형 또는 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 격자지지체(402)는, 구조물을 형성하도록 하는 다공성 지지체에 프로톤을 선택적으로 투과시키는 코팅층을 상기 다공성 지지체의 공극에 코팅한 세공충진막을 사용할 수 있다.
상기 축전식 흐름전극장치(418)는 상기 채널에 흐름정극(401)과 흐름부극(403)이 배치된다. 상기 흐름정극(301)에는 다공성정극판(404)이 배치되고, 상기 흐름부극(303)에는 다공성부극판(410)이 배치된다.
상기 흐름정극(401)에 흐르는 전극용액(412)에 포함되는 양극활물질 및 상기 흐름부극(403)에 흐르는 전극용액(414)에 포함되는 음극활물질은 서로 다른 물질이 사용될 수도 있지만, 동일한 물질이 사용될 수도 있다.
상기 다공성정극판(404) 및 상기 다공성부극판(410)은 상기 채널의 내벽면에 맞닿도록 배치된다.
상기 흐름정극(401)과 상기 흐름부극(403)은 도 13에 도시된 바와 같이, 바둑판 무늬를 가지도록 배치된다. 이 결과, 상기 격자지지체(402)를 통해 프로톤이 이동하면서, 상기 흐름정극(401)과 상기 흐름부극(403)에 산화환원반응이 일어나면서, 충전 또는 방전을 하게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100,200,218,220,222,224,226,228,300,400,418: 흐름전극장치
102,216,316,416: 전해질 유로
104,204,304: 정극이온교환막
106,206,306,: 다공성정극판
108,208,308: 부극이온교환막
110,210,308: 다공성부극판
111: 정극활물질
112,201,301,401: 흐름정극
113: 부극활물질
114,203,303,403: 흐름부극
116,118: 폐쇄플레이트
202,302,402: 격자지지체
212,214,312,314,412,414: 전극용액

Claims (5)

  1. 축방향으로 길게 형성되고, 액체침투성 벽체에 의해 전해질이 유동되고, 복수의 채널로 이루어지도록 단면형상이 격자구조인 격자지지체;
    상기 격자지지체의 채널에 양이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 정극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 정극이온교환집전체의 중심으로 양극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름정극; 및
    상기 격자지지체의 채널에 음이온을 통과시키고 전기 전도성을 가지는 부극이온교환집전체가 삽입되고, 상기 부극이온교환집전체의 중심으로 음극활물질이 혼합된 전극용액이 흐르는 흐름부극을 포함하고,
    상기 흐름정극의 주위로는 상기 흐름부극이 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격자지지체는, 다공성 탄소플레이트, 제올라이트, 세라믹, 및/또는 고분자물질를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 채널의 단면형상은 원형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흐름전극구조체.
  4. 제1항의 흐름전극구조체를 구비한 축전식 흐름전극장치.
  5. 제1항의 흐름전극구조체를 구비한 레독스 흐름전지장치.


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