KR20170015798A - 레독스 흐름 전지용 열교환기 - Google Patents

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Abstract

레독스 흐름 전지용 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레독스 흐름 전지의 셀 스택의 구성 부품들을 활용함으로써 설계와 제작이 용이한 레독스 흐름 전지용 열교환기에 관하여 개시한다.
본 발명은 레독스 흐름 전지 셀 스택을 구성하는 셀 프레임을 복층으로 적층하되, 셀 프레임들의 사이에 열교환판을 배치하고, 각 층의 셀 프레임으로 전해액과 냉각수가 번갈아 흐르도록 형성한 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 열교환기를 제공한다.

Description

레독스 흐름 전지용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지용 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레독스 흐름 전지의 셀 스택의 구성 부품들을 활용함으로써 설계와 제작이 용이한 레독스 흐름 전지용 열교환기에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 운전시 에너지 효율에서 손실되는 부분이 열로 발생하며, 이는 전해액 온도를 상승시킨다.
바나듐 레독스 흐름 전지에서 전해액으로 사용되는 바나듐 황산 수용액은 일반적으로 5~38℃에서 안정적이며, 이 범위 밖에서는 바나듐이 석출되는 문제가 발생한다.
바나듐이 석출되면, 전기용량 감소, 시스템 내구성 문제 등이 발생함에 따라 전해액 온도 관리가 매우 중요한 요소이고, 이를 위하여 레독스 흐름 전지에는 전해액의 온도를 조절하기 위한 열교환기의 설치가 필요하다.
일반적인 판형 열교환기의 경우 전열판 프레임을 볼트로 체결하여 조립 및 분해가 쉬운 구조이나, 주로 금속 재질로 이루어지기 때문에 황산 전해액을 사용하는 레독스 흐름 전지에는 적용이 곤란하다.
또한, 산업용으로 많이 사용되는 쉘 앤 튜브(Shell & tube) 타입의 열교환기는 내구성이 우수하고, 고온, 고압 조건에 적합하지만 상대적으로 큰 크기와 무게, 내부 압력 조절에 문제가 생길 경우 튜브가 압착되거나 붕괴되는 문제점을 가지고 있었다.
관련선행문헌으로는 미국공개특허 2013-0071714호 (공개일자 2013년 3월 21일) 'FLOW BATTERY STACK WITH AN INTEGRATED HEAT EXCHANGER'가 있다.
상기 선행문헌에는 레독스 흐름 전지 셀과 열교환기가 결합된 스택에 관한 것이다. 이는 매니폴드 유로를 이용한 것으로 열교환 면적을 증가시키는데 한계가 있으며, 통상의 셀 구조물과 크기, 모양 등이 달라 제작을 위한 별도의 설계와 제작이 필요하고, 열교환 판의 복잡한 유로에 의해 스택의 압력강하가 증가할 수 있으며, 대용량 레독스 흐름 전지에 적용할 경우 각 스택 별로 냉각수 라인이 별도로 필요하여 배관이 매우 복잡해지는 등의 단점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 레독스 흐름 전지의 전해액이 적정 온도를 유지할 수 있도록 하는 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 레독스 흐름 전지를 구성하는 셀 스택의 구조를 이용하여 열교환기의 설계와 제작이 용이한 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 열교환기의 압력 강하 예측이 용이하고, 셀 스택과 배관 연결이 용이한 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명은 중앙부에 관통공을 구비하여 유체가 상기 관통공에 체류하도록 형성되는 셀 프레임; 상기 셀 프레임과 번갈아 적층되는 열교환판;을 포함하고, 상기 열교환판의 일면에 적층된 셀 프레임에는 전해액이 흐르고 타면에 적층된 셀 프레임에는 냉각수가 흐르며, 상기 전해액과 상기 냉각수가 각각의 관통공에 체류하는 시간 동안 상기 열교환판을 사이에 두고 서로 열교환을 하는 열교환기를 제공한다.
상기 셀 프레임의 관통공에 위치하여 유체의 흐름의 균일성을 향상시키는 함수성 시트를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 프레임은 유체가 유입되는 유입구; 상기 유입구로 유입된 유체를 상기 관통공으로 안내하는 유로; 유체가 배출되는 배출구; 및 상기 관통공의 유체를 상기 배출구로 안내하는 유로;를 구비할 수 있다.
상기 열교환판은 상기 전해액에 의해 변성되지 않는 재질이며, 상기 전해액을 오염시키지 않는 재질인 것이 바람직하다.
상기 열교환판은 PVC, 에폭시(epoxy), 폴리프로필렌(polypropylene), PTFE(polytetrafluoroethylene) 및 폴리에틸렌(polyethylene) 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 함수성 시트는 상기 전해액에 의해 변성되지 않는 재질이며, 상기 전해액을 오염시키지 않는 재질인 것이 바람직하다.
상기 함수성 시트는 카본 펠트 재질로 형성될 수 있다.
상기 냉각수는 상기 전해액보다 20~30℃ 낮은 온도로 공급되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 열교환판의 양면에 흐르는 전해액과 냉각수는 동일한 흐름 방향(co flow)을 가지거나 반대 방향의 흐름(counter flow)을 가질 수 있다.
그리고, 본 발명은 양극 전극과, 음극 전극과, 이들 양 전극 사이에 개재되는 격막을 구비하는 전지 셀에 양극 전해액 및 음극 전해액을 공급하여 충방전을 행하는 레독스 흐름 전지에 있어서, 상기 음극 전해액 또는 상기 양극 전해액의 온도를 조절하기 위한 열교환기를 구비하되, 상기 열교환기는 중앙부에 관통공을 구비하여 유체가 상기 관통공에 체류하도록 형성되는 셀 프레임; 및 상기 셀 프레임과 번갈아 적층되는 열교환판;을 포함하여, 상기 열교환판의 일면에 적층된 셀 프레임에는 전해액이 흐르고 타면에 적층된 셀 프레임에는 냉각수가 흐르며, 상기 전해액과 상기 냉각수가 각각의 관통공에 체류하는 시간동안 상기 열교환판을 사이에 두고 서로 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기는 셀 스택을 구성하는 셀 프레임을 적층하여 열교환기를 구성함으로써, 열교환기에 의한 압력 강하 등의 유동 특성의 예측이 용이하여 설계 및 제작이 간편한 효과를 가져온다.
또한, 셀 스택과 열교환기의 부품을 공유할 수 있으며, 셀 스택과 동일한 배관을 이용하여 연결할 수 있으며, 셀 스택의 체결에 이용하는 부품들로 조립할 수 있으므로 레독스 흐름 전지 시스템의 부품 공용화 효과를 가져온다.
그리고, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기는 셀 프레임의 적층 개수를 조절하는 것으로 냉각 용량을 조절할 수 있는 효과를 가져온다.
도 1은 레독스 흐름 전지의 단위 셀의 구조를 나타낸 구성도이고,
도 2는 레독스 흐름 전지의 셀 스택의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기의 기본 구조를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레독흐 흐름 전지용 열교환기의 적층 구조를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레독흐 흐름 전지용 열교환기를 포함하는 레독스 흐름 전지를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기의 성능 실험 과정을 나타낸 사진이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
레독스 흐름 전지는 산화수가 변하는 금속 이온의 산화 반응을 이용하여 충전 및 방전하는 전지를 말한다. 전해액으로는 바나듐 등의 금속 이온이 용해된 산성 수용액이 사용된다.
예를 들어 바나듐 레독스 흐름 전지의 경우에는 충전시에는 양극에서 4가 바나듐 이온이 5가 바나듐 이온으로, 음극에서는 3가 바나듐 이온이 2가로 변환된다.
방전시에는 역으로 바나듐 이온의 가수가 변화하여 충전 및 방전이 진행된다.
양극 전해액과 음극 전해액이 이온교환막을 사이에 두고 양면으로 각각 흐르면서 이온의 가수가 변화하게 된다.
도 1은 레독스 흐름 전지의 단위 셀의 구조를 나타낸 구성도이고, 도 2는 레독스 흐름 전지의 셀 스택의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 단위 셀은 이온교환막(110)과, 음극측 셀프레임(120)과 양극측 셀프레임(130)과, 음극 전극(140)과, 양극 전극(150)을 포함한다.
음극측 셀프레임(120)에는 관통공 형태로 전극실(128)이 형성되며, 상기 전극실(128)에 음극 전극(140)이 구비된다.
양극측 셀프레임(130)도 음극측 프레임과 동일한 형태로 전극실(138)이 형성되고, 상기 전극실(138)에 양극 전극(150)이 구비된다.
음극측 셀프레임(120)에는 음극 전해액 유입구(122)와 음극 전해액 배출구(124)가 형성된다. 음극 전해액 유입구(122)과 음극 전해액 배출구(124)는 전극으로 전해액을 안내하는 유로(125)가 연결된다.
음극측 셀프레임(120)의 전해액의 흐름을 살펴보면, 음극 전해액 유입구(122)로 유입된 전해액은 유로(125)를 따라 음극 전극(140)으로 흐르게 되고, 음극 전극(140)을 통과한 전해액은 다시 유로(125)를 통해 모아져서 음극 전해액 배출구(124)로 흐르게 된다.
양극측 셀프레임(130)도 동일한 방식으로 양극 전해액 유입구(132)로 양극 전해액이 유입되어, 유로(135)를 따라 양극 전극(150)으로 안내되고, 양극 전극(150)을 통과한 전해액은 다시 유로(135)를 통해 모아져서 양극 전해액 배출구(134)로 흘러 나가게 된다.
이러한 구조로 인하여, 이온교환막(110)을 사이에 두고 배치된 음극 전극(140)과 양극 전극(150)에 각각 음극 전해액과 양극 전해액이 흐르면서 이온교환이 이루어지게 된다. 이온교환막(110)은 전극실(128,138)을 덮을 수 있는 크기로 형성된다.
음극측 셀프레임(120)과 양극측 셀프레임(130)은 내산성을 가지는 합성수지 재질로 이루어지며, 동일한 형상을 가지는 셀프레임을 서로 반대방향으로 배치하여 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여 셀 스택의 적층 구조를 살펴본다.
단위 셀 만으로는 출력 전압이 부족하기 때문에, 단위 셀을 적층하여 셀 스택을 형성한다. 셀 스택으로 적층시에는 단위 셀 들의 사이에 쌍극판(160)을 배치하여 음극 전극(140)과 양극 전극(150)이 쌍극판(160)을 통해 전기적으로 연결된다. 쌍극판(160)을 통해 이웃한 단위 셀이 연결되어 충전/방전 시간에 전기가 흐르게 된다. 즉 단위 셀들은 쌍극판(160)을 통해 직렬로 연결되게 되고, 쌍극판(160)과 이웃한 전극에서 쌍극판(160) 쪽으로 각각 정공/전자가 이동되게 된다.
또한, 셀 스택의 양측 단부에는 집전판(170)이 배치된다.
셀 스택은 양극 전해액과 음극 전해액이 이온교환막(110)을 사이에 두고 흐르면서 이온교환을 하는 구성이나, 본 발명은 이러한 구조에 착안하여 열교환판을 사이에 두고 전해액과 냉각수가 흐르는 열교환기를 구성한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기의 기본 구조를 나타낸 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기는 셀 스택에 사용되는 셀 프레임을 이용하고, 이온교환막 및 쌍극판을 대신하여 열교환판(210)을 배치하는 것을 특징으로 한다.
열교환판(210)을 사이에 두고, 일측면으로는 전해액이 흐르도록 하고 타측면으로는 냉각수가 흐르도록 함으로써, 전해액과 냉각수 사이에 열전도에 의한 열교환이 이루어지도록 한 것이다. 통상 레독스 흐름 전지의 운전은 충전과 방전으로 나뉠 수 있고, 충전 과정에 있을 경우는 흡열반응이 일반적이나, 방전 과정에 있을 경우에는 발열반응을 일으키게 된다. 열교환판에 의한 냉각 효과는 특히 발열반응인 방전 과정에 필요한 것이다.
열교환판(210)을 사이로 일면에는 냉각수가 흐르고, 타면에는 전해액이 흐르게 되는 구조로 냉각 효과를 일으키며, 특히 열교환판에는 전해액이 흐르기 때문에, 산성 등의 화학적 특성을 가진 전해액에 대하여 열교환판은 내화학성을 가져야 한다. 여기서 열교환판의 전해액에 대한 내화학성이란 열교환판이 전해액에 의하여 변성되지 않는 재질이어야 하는 것과, 열교환판의 성분이 전해액으로 용출되어 전해액을 오염시키지 않는 재질이어야 하는 것을 의미한다. 또한 열교환판은 열교환성능 향상을 위하여 열전도도가 우수한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
열교환판(210)의 구체적인 재질로는 PVC, 에폭시(epoxy), 폴리프로필렌(polypropylene), PTFE(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 등이 있을 수 있다. 이러한 물질들의 실험적인 열전도도를 살펴보면 각각 PVC : 0.19W/m·K, 에폭시 : 0.35W/m·K, 폴리프로필렌 : 0.1~0.22/m·K , PTFE : 0.25W/m·K , 폴리에틸렌 : 0.33~0.51W/m·K 로 파악된다.
또한, 열교환판 자체의 두께는 전해액과 냉각수의 열교환 성능에 영향을 주는 요인이다. 열교환이 효율 향상의 측면에서는 두께가 얇을수록 유리하다. 다만, 열교환기 내부에 인가되는 압력을 견디기 위한 강성 제품의 내구성을 고려하면 어느 정도 이상의 두께가 요구된다. 열교환판의 재질을 선정함에 있어서는 재질의 열전도도와 함께 앞서 살펴본 두께에 관한 사항도 고려하여야 한다.
후술할 본 발명의 실시예에서는 0.3㎜의 PVC를 사용한 바 이는 열교환 효과, 기계적인 강성 및 내구성을 고려하여 결정된 두께이다. 열교환이 충분히 이뤄지는 열교환판의 두께는 0.2~0.5㎜ 일 수 있다.
특히 PVC의 경우, 통상의 셀프레임을 이루는 물질이기도 하며, 다른 재료보다 가공이 용이하여 열교환판으로 상대적으로 제작하기 쉬운 물질이다. 후술할 본 발명의 실시예에서도 PVC를 열교환판의 재질로 채택한 바 있다.
실제 열교환기를 이루는 셀프레임도 PVC 물질로 되어 있는 바, 열교환판과 셀프레임이 같은 물질로 되어 있어 PVC 접착제를 통해 접합하는 것이 다른 물질로 된 경우보다 부착/조립이 보다 용이하다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기는 열교환판(210)의 한 쪽 면에는 전해액측 셀프레임(220)이 이웃하게 위치하고, 다른 쪽 면에는 냉각수측 셀프레임(230)이 이웃하게 위치한 구조를 가진다. 전해액측 셀프레임(220)과 냉각수측 셀프레임(230)에는 전극이 위치하는 관통공(228,238)이 구비되며, 각각의 관통공(228,238)에는 함수성 시트(240, 250)가 구비된다.
필요에 따라 함수성 시트(240, 250)는 생략될 수도 있다. 함수성 시트(240, 250)가 생략되는 경우, 셀프레임에 형성된 관통공(228,238)으로 전해액 또는 냉각수가 저항 없이 자유로이 흐르며 체류할 수 있고, 흐르는 과정에서 전해액과 냉각수가 열교환판을 통해 맞닿는 부분에서 열교환 효과를 발휘할 수 있다.
셀프레임에 형성되는 관통홀은 함수성 시트를 구비하지 않는 경우에는 비어 있는 공간으로 형성되어, 전해액 또는 냉각수가 채워지는 공간이 된다. 셀프레임의 전체 면적에 대한 관통홀의 면적의 비율은 40% 내외로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 전해액과 냉각수 사이의 열교환을 고려한 것이다.
열교환 효과를 향상시키기 위해서 셀프레임의 면적에 대한 관통홀의 면적의 비율은 증가될 수 있으며, 바람직하게는 40~60% 범위로 형성될 수 있다. 관통홀의 면적이 상기 범위를 초과하여 과다하게 커지면 셀프레임의 기계적 강성 저하로 인하여 내구성의 측면에서 문제가 발생할 수 있다.
물론, 함수성 시트(240, 250)가 구비되면 이로 인해서 전해액과 냉각수의 균일한 흐름이 유도될 수 있다. 특히 전도에 의한 열교환이 충분히 이뤄지기 위해서는 열교환이 이뤄지는 면적 및 시간이 충분히 확보되어야 하므로, 함수성 시트가 있는 경우 함수성 시트가 없는 경우보다 전해액/냉각수의 흐름 속도를 느리게 하고 흐르는 면적을 넓혀 열교환의 시간이 길어지고, 열교환의 면적이 커지므로 보다 열교환 효과는 커진다고 할 것이다.
본 발명의 열교환기 셀에 있어서, 셀프레임(220, 230)은 전해액 또는 냉각수가 각각 유입/배출되는 유입구(222, 232)와 배출구(224, 234)를 구비할 수 있다. 그리고, 셀프레임(220, 230)의 외곽 부분에는 각각 유입구(222, 232)에서 유입된 유체를 함수성 시트(240, 250)로 안내하는 유로(225, 235)와, 상기 함수성 시트(240, 250)를 통과한 유체를 상기 배출구(224, 234)로 안내하는 유로(225, 235)를 구비할 수 있다.
열교환기 셀을 이루는 셀프레임은 레독스 흐름 전지의 셀 스택을 구성하는 셀 프레임과 대응하는 구성으로 동일한 부품을 사용할 수 있으며, 이온교환막과 분리판이 열교환판으로 대체/교체되어 통상의 셀과 유사한 구조를 가지고 열교환 효과를 가져올 수 있다.
또한, 본 발명의 열교환기에 있어서 함수성 시트(240, 250)는 셀 스택의 전극에 대응하는 것으로, 통상 레독스 흐름 전지의 셀 스택에서 양극 전극과 음극 전극은 전해액에 대하여 내화학성을 가지며, 전도성을 가지고 함수성 재질인 카본 펠트를 사용한다. 여기서의 내화화학성은 앞서 열교환판의 내화학성과 마찬가지로 전해액에 의하여 변성되지 않으며, 전해액을 오염시키지 않는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 열교환기에 있어서 함수성 시트(240, 250)의 재질로는 전극으로 사용하는 카본 펠트를 그대로 적용할 수 있다. 물론 열교환기에 있어서는 카본 펠트 재질의 전도성이 요구되는 것은 아니다. 열교환기에 있어서는 유체(전해액 또는 냉각수)가 균일하게 흘러갈 수 있는 경로를 제공하는 기능만이 요구되나, 부품 공용화의 측면에서 전극으로 사용되는 카본 펠트 재질을 그대로 사용해도 무방하다.
특히, 전극으로 사용되는 카본 펠트 재질을 동일하게 사용하면, 전해액이 셀을 통과할 때 발생하는 압력 강하가 동일하게 발생하게 되므로, 열교환기 설계시 유체의 흐름에 관한 추가적인 설계가 필요치 않은 장점도 가지게 된다. 특히 압력강하의 문제는 열교환기를 셀스택에 직렬로 연결하는 경우에 매우 중요하게 된다.
물론, 상대적으로 저가의 재질을 사용할 수도 있으므로, 전해액이 투입되어 통과하는 부분에는 전해액에 관하여 내화학성을 가지는 카본 펠트 재질을 그대로 사용하고, 반대 쪽에 위치한 냉각수가 통과하는 부분에는 전해질에 대한 내화학성이 요구되지 않으므로, 저가의 합성수지 펠트 재질(ex, 스펀지 등)을 사용할 수도 있다.
그리고, 실제 전해액과 냉각수가 물을 주성분으로 하는 경우에는 함수성 재질은 친수성을 가지는 것이 보다 바람직하므로, 함수성 시트를 스펀지 등으로 만든 경우에는 친수성을 확보하기 위하여 열교환기에 조립되기 전에 함수성 시트를 열처리 등을 통해 친수성 표면 처리를 하는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레독흐 흐름 전지용 열교환기의 적층 구조를 나타낸 구성도이다.
레독스 흐름 전지의 셀 스택을 적층함에 있어서는 단위 셀 사이에 쌍극판(도 2의 160)을 끼워 적층하였으나, 열교환기의 셀 프레임을 적층함에 있어서는 셀 프레임(220, 230)과의 열교환판(210)을 번걸아 적층하는 것을 특징으로 한다.
열교환기가 셀 프레임 4장(열교환 단위 셀 2개)으로 적층되는 경우라면, 단위 셀 각각의 중앙에 이온교환막을 대신하여 열교환판이 구비되고, 단위셀의 사이에 분리판을 대신하여 열교환판이 구비되므로 총 3개의 열교환판이 구비되며, 각각 전해액과 냉각수의 열교환이 이루어지게 된다. 즉 n개의 단위 셀이 결합되는 경우 열교환판은 2n-1개가 구비되게 되고 이를 통해 열교환 효과가 점진적으로 향상된다.
또한, 본 발명에 있어서 열교환기 셀 프레임은 홀수의 개수로 적층할 수도 있다. 예를 들어 3장의 셀 프레임과 2장의 열교환판을 적층하여 구성할 수 있으며, 이 때 중앙의 셀 프레임으로는 전해질이 공급되도록 하고, 그 양면의 셀 프레임으로는 냉각수가 공급되도록 하여, 전해질이 공급되는 셀 프레임의 양면의 열교환판에 의하여 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.
이러한 셀프레임의 적층 구조를 통하여 본 발명에 따른 열교환기는 단위셀의 적층 개수를 변경하여 냉각 용량을 조절할 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 전지 셀과 동일한 구조를 가지므로 통상의 판형 열교환기 등과 달리 압력 강하 예측이 쉽고, 유입구/유출구가 동일하므로 통상의 배관과 동일하게 연결이 가능하므로 레독스 흐름 전지 시스템의 부품 공용화에 큰 효과가 있다.
한편, 도 4에는 열교환판(210)의 양면을 흐르는 전해액과 냉각수가 동일한 흐름 방향(co flow)를 가지는 것으로 표시하였으나, 전해액과 냉각수가 서로 역방향(counter flow)으로 흐르도록 형성할 수도 있다.
예를 들어, 전해액과 냉각수가 서로 역방향으로 흐르도록 하기 위해서는, 전해액 유입구를 하부에 위치시키고, 전해액 배출구를 상부에 위치시켜 전해액을 아래에서 위로 흐르게 하고, 냉각수의 경우에는 반대로 상부에서 유입하여 하부로 배출되도록 함으로써 전해액과 반대방향으로 흐르도록 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레독흐 흐름 전지용 열교환기를 포함하는 레독스 흐름 전지를 나타낸 구성도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 열교환기의 성능 실험 과정을 나타낸 사진이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기를 포함하는 레독스 흐름 전지는 음극 전해액 탱크(10)와, 양극 전해액 탱크(20)와, 셀 스택(100)과, 열교환기(200)와, 냉각기(30)를 포함한다.
도시한 실시예의 레독스 흐름 전지는 열교환기(200)가 양극 전해액을 냉각할 수 있도록 구성한 것으로, 양극 전해액 탱크(20)에 셀 스택(100)과 열교환기(200)가 병렬로 연결된 형태를 나타낸 것이나, 음극 전해액 탱크(10)에도 열교환기를 추가하여 연결할 수 있으며, 셀 스택과 열교환기를 직렬로 연결할 수도 있다.
셀 스택(100)으로 양극/음극 전해액 탱크로부터 각각 양극 전해액과 음극 전해액이 공급되며, 열교환기(200)로 셀 스택을 통과한 양극 전해액과 냉각기에서 나온 냉각수가 공급된다. 즉, 냉각수는 냉각기(30)에서 열교환기(200)로 공급되어 양극 전해액과 열교환한 후 다시 냉각기(30)로 회수되고, 상기 냉각기(30)에서 냉각 과정을 거친 후 다시 열교환기(200)로 공급되는 구조이다.
실시예
도 5에 도시한 바와 같이, 레독스 흐름 전지의 스택에 본 발명의 열교환기를 병렬로 연결하고, 전해액과 냉각수의 흐름 방향 및 냉각기의 온도를 달리하며 열교환량(Duty)과 압력 강하를 측정하였다.
본 발명의 실시예에 사용된 레독스 흐름 전지의 스택은 5kw 용량을 갖는 것으로 사용하였고, 그 스택을 이루는 개별 셀의 이온교환 면적은 1200㎠ 인 것을 사용하였다.
통상적으로 이온교환 면적은 셀 프레임의 관통공의 면적에 해당하고, 관통공 내 위치한 전극의 면적은 1200㎠에 해당된다고 할 수 있다.
이 때 스택과 연결되는 본 발명의 열교환기는 통상의 셀 프레임을 2장을 이용하여, 그 사이에 0.3㎜ 두께의 PVC 재질 열교환판을 끼워넣어 결합하였고, 열교환기 내에 구비된 함수성 시트로는 스택 내 전극으로 사용되는 카본 펠트 재질을 동일하게 사용하였다.
구분 조건 Duty
(kW)		 △P (kPa)
열교환기 flow rate
(cc/min-cm2)		 열교환기
연결방식		 냉각기
온도		 Ptot PHEX
비교예 없음 0.7
counter flow		 - - 2 59 -
실시예 관통공
면적 :1200 cm2 		0.7
co-flow		 병렬 10℃ -1.2 59 52
0.7
counter flow		 -1.4 61 52
0.7
co-flow		 25℃ -0.5 58 52
위 비교예에 따라, 통상 5kW의 스택은 방전시 2kW의 열을 방출하게 되는 것으로 확인되었고, 본 발명의 열교환기가 스택과 연결되어 2kW의 열 중 0.5~1.4kW의 열을 방출시키는 것을 확인할 수 있다.
특히, 냉각기의 온도가 낮고, 전해액과 냉각수가 counter flow의 형태로 열교환판을 사이에 두고 만나게 되는 경우 가장 좋은 열교환 효과를 가진 것으로 확인되었다.
추가적으로, 열교환기에 의한 압력강하(PHEX) 값을 확인한 결과, 통상의 스택에서 이뤄지는 압력강하와 유사한 범위에 있으므로, 별도 열교환기를 부착에 의한 추가적인 압력강하를 고려하지 않아도 되는 이점이 있을 확인하였다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210 : 열교환판
220, 230 : 셀 프레임
240, 250 : 함수성 시트
222, 232 : 유입구
224, 234 : 배출구
225, 235 : 유로
228, 238 : 관통공

Claims (11)

  1. 중앙부에 관통공을 구비하여 유체가 상기 관통공에 체류하도록 형성되는 셀 프레임;
    상기 셀 프레임과 번갈아 적층되는 열교환판;을 포함하고,
    상기 열교환판의 일면에 적층된 셀 프레임에는 전해액이 흐르고 타면에 적층된 셀 프레임에는 냉각수가 흐르며, 상기 전해액과 상기 냉각수가 각각의 관통공에 체류하는 시간 동안 상기 열교환판을 사이에 두고 서로 열교환을 하는 열교환기
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 프레임의 관통공에 위치하여 유체의 흐름의 균일성을 향상시키는 함수성 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 프레임은
    유체가 유입되는 유입구;
    상기 유입구로 유입된 유체를 상기 관통공으로 안내하는 유로;
    유체가 배출되는 배출구; 및
    상기 관통공의 유체를 상기 배출구로 안내하는 유로;를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환판은
    상기 전해액에 의해 변성되지 않는 재질이며,
    상기 전해액을 오염시키지 않는 재질인 것을 특징으로 하는 열교환기
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환판은 PVC, 에폭시(epoxy), 폴리프로필렌(polypropylene), PTFE(polytetrafluoroethylene) 및 폴리에틸렌(polyethylene) 중 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 함수성 시트는
    상기 전해액에 의해 변성되지 않는 재질이며,
    상기 전해액을 오염시키지 않는 재질인 것을 특징으로 하는 열교환기
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 함수성 시트는
    카본 펠트 재질인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해액은 양극 전해액 또는 음극 전해액인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수는 상기 전해액보다 20~30℃ 낮은 온도로 공급되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 열교환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환판의 양면에 흐르는 전해액과 냉각수는 동일한 흐름 방향(co flow)을 가지거나 반대 방향의 흐름(counter flow)을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 양극 전극과, 음극 전극과, 이들 양 전극 사이에 개재되는 격막을 구비하는 전지 셀에 양극 전해액 및 음극 전해액을 공급하여 충방전을 행하는 레독스 흐름 전지에 있어서,
    상기 음극 전해액 또는 상기 양극 전해액의 온도를 조절하기 위한 열교환기를 구비하되,
    상기 열교환기는 중앙부에 관통공을 구비하여 유체가 상기 관통공에 체류하도록 형성되는 셀 프레임; 및 상기 셀 프레임과 번갈아 적층되는 열교환판;을 포함하여, 상기 열교환판의 일면에 적층된 셀 프레임에는 전해액이 흐르고 타면에 적층된 셀 프레임에는 냉각수가 흐르며, 상기 전해액과 상기 냉각수가 각각의 관통공에 체류하는 시간동안 상기 열교환판을 사이에 두고 서로 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
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