KR20170025153A - 레독스 흐름전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로써, 특히, 스택의 전단과 후단 사이에서 전해액이 주입되어, 스택 전체에 전해액을 균일하게 이송시킬 수 있어서, 스택 중앙부의 압력강하를 줄일 수 있게 되어, 과전압과 과전류 발생을 최소화할 수 있는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름전지{REDOX FLOW BATTERY}

본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로써, 특히, 스택의 전단과 후단 사이에서 전해액이 주입되어, 스택 전체에 전해액을 균일하게 이송시킬 수 있어서, 스택 중앙부의 압력강하를 줄일 수 있게 되어, 과전압과 과전류 발생을 최소화할 수 있는 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.

이러한 종래의 레독스 흐름전지는 스택의 최외측에 배치되는 엔드플레이트(1a, 1b)에 전해액 주입구 및 전해액 배출구가 형성된다. 따라서, 전해액이 전해액 탱크로부터 엔드플레이트(1a, 1b)를 통해 주입되어 스택에 전달된다.

따라서, 전지 셀의 적층수가 증가됨에 따라 전해액의 이동거리가 증가하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전해액의 이동 거리에 따라 U자형태로 전압분포(Voltage distribution)와 내부 전류(internal current)의 구배가 발생한다. 이러한 현상은 양쪽 최외측의 집전체(2a, 2b)를 통해 전류가 인가될 때, 중앙부 반응속도는 최외측에 비해 느리고 전해액의 이동시 중앙부분에 발생하는 압력강하 때문이다. 이러한 현상은 적층수가 증가될수록 더큰 U자형태의 전압 및 전류 구배를 형성시키게 되고, 전지 셀은 전압을 높이기 위해 평균 전압보다 더 높은 에너지를 이용하게 충전을 하게 된다. 기존의 스택구조에서 위와 같은 문제는 스택의 과전압과 과전류를 발생시키고, 과전압과 과전류에 의한 전지 셀의 노화가 발생하게 된다.

또한, 최외측에 위치한 전해액 주입구에 의한 영향으로 전지 셀의 적층수는 제한적일 수밖에 없다. 일반적으로 배터리는 전지 셀의 적층수에 따라 출력이 높아지는데 상기와 같은 문제로 고출력의 배터리를 제작하는데 어려움이 따른다. 셀의 적층수를 늘리지 않고 출력을 높이기 위해서는 전류의 크기를 키워야 하지만, 전류의 크기가 커짐에 따라 도선의 두께 및 발열이 발생하게 되어 비용증가 및 안전에 문제가 된다.

한국등록특허공보 제10-1309262호 한국공개특허공보 제10-2014-0109615호 한국공개특허공보 제10-2011-0116624호

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스택 중앙부의 압력강하를 줄일 수 있는 레독스 흐름전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지는, 전방과 후방에 각각 배치되는 엔드플레이트와, 상기 엔드플레이트 사이에 배치되는 복수의 전지 셀이 적층된 스택을 포함하며, 상기 스택의 전단과 후단 사이에서 전해액이 주입되는 것을 특징으로 한다.

상기 스택의 전단과 후단의 중간에서 전해액이 주입될 수 있다.

상기 스택의 전단과 후단 사이에는 전해액 주입 플레이트가 배치되고, 상기 전해액은 상기 전해액 주입 플레이트에 형성된 전해액 주입구를 통해 주입될 수 있다.

상기 전해액은 상기 스택의 최외측으로 배출될 수 있다.

상기 전해액은 상기 스택의 전단과 후단 사이에서 배출될 수 있다.

상기 전해액 주입구는 양극 전해액이 주입되는 제1주입구와, 음극 전해액이 주입되는 제2주입구를 포함하며, 상기 제1주입구와 상기 제2주입구는 상기 전해액 주입 플레이트의 양측 하부에 각각 형성되며, 상기 전해액은 두개의 상기 엔드플레이트의 양측 상부를 통해 배출될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 레독스 흐름전지에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

스택의 전단과 후단 사이에서 전해액이 주입되어, 스택 전체에 전해액을 균일하게 이송시킬 수 있어서, 스택 중앙부의 압력강하를 줄일 수 있게 되어, 과전압과 과전류 발생을 최소화할 수 있어서, 효율 및 수명을 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래의 레독스 흐름전지 분리 사시도.
도 2는 종래의 레독스 흐름전지 단면도.
도 3은 종래의 레독스 흐름전지의 전압 및 전류 분포를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레독스 흐름전지 우측 단면도(a) 및 좌측 단면도(b).
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레독스 흐름전지 전해액 주입 플레이트 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 전압 및 전류 분포를 나타내는 그래프.

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 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레독스 흐름전지는, 전방과 후방에 각각 배치되는 엔드플레이트(11a, 11b)와, 상기 엔드플레이트(11a, 11b) 사이에 배치되는 복수의 전지 셀이 적층된 스택을 포함하며, 상기 스택의 전단과 후단 사이에서 전해액이 주입되는 것을 특징으로 한다.

상기 엔드플레이트(11a, 11b)는 전체적인 레독스 흐름전지의 윤곽을 형성하는 역할을 하는 것으로서 최외각에 배치되며 각각 전해액 배출구가 형성된다. 상기 전해액 배출구는 상기 엔드플레이트(11a, 11b)의 양측 상부에 각각 형성될 수 있다. 우측에 배치되는 제1전해액 배출구로는 양극전해액이 배출되고, 좌측에 배치되는 제2전해액 배출구로는 음극전해액이 배출될 수 있다. 따라서, 상기 전해액은 두개의 상기 엔드플레이트(11a, 11b)의 양측 상부를 통해 배출된다.

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.

엔드플레이트(11a, 11b) 사이에는 두개의 집전체(12a, 12b)가 배치된다.

두개의 집전체(12a, 12b) 사이에는 복수의 전지 셀이 적층된 상기 스택이 배치된다.

상기 전지 셀은 분리막(1130)과, 분리막(1130)을 사이에 두고 위치하는 제1,2전극(1125, 1126)과, 제1,2전극(1125, 1126)의 가장자리에 위치하며 제1,2전극(1125, 1126)을 고정시키는 매니폴드를 포함한다.

또한, 각각의 상기 전지 셀 사이에는 바이폴라 플레이트(1110)가 배치된다.

상기 분리막(1130)은 충전 또는 방전 시 양극 전해액과 음극 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다.

상기 매니폴드는 최외측 및 이하 서술되는 전해액 주입 플레이트(11c)의 전방 및 후방에 배치되는 4개의 제1매니폴드(1123, 1124)와, 두개의 제1매니폴드(1123, 1124) 사이에 배치되는 제2매니폴드(1120)을 포함한다.

상기 제1매니폴드(1123, 1124)는 상기 집전체(12a, 12b)와 대응되는 면 또는 상기 전해액 주입 플레이트(11c)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(1110)가 삽입되고 반대면에 전극이 삽입된다.

제1매니폴드(1123, 1124)는 중앙에 삽입공이 형성되며, 상기 삽입공에 바이폴라 플레이트(1110)와 전극이 삽입된다.

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 제1매니폴드(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. 또한, 상기 제1매니폴드(1123, 1124)는 양극전해액 또는 음극전해액을 상기 유로에 공급하거나 상기 유로로부터 배출하기 위한 전해액 유입구 및 전해액 유출구가 전후방향으로 관통되어 구비된다.

제2매니폴드(1120)는 프레임 형상으로 형성되며, 중심부에 삽입공이 전후방향으로 관통되어 형성된다.

종래기술과 같이 제2매니폴드(1120)의 전면과 후면에는 유로(미도시)가 각각 형성된다. 상기 유로는 전해액이 이동하기 위한 통로로서 양극전해액 또는 음극전해액이 이동되며, 그 형상은 다양하게 변형가능하다. 아울러 상기 제2매니폴드(1120)에는 양극전해액 또는 음극전해액을 상기 유로에 공급하거나 상기 유로로부터 배출하기 위한 전해액 유입구 및 전해액 유출구가 전후방향으로 관통되어 구비될 수 있으며, 이는 당업자라면 용이하게 형성 가능한 것이다. 이와 같은 제1매니폴드(1123, 1124)와 제2매니폴드(1120)는 종래의 것을 동일하게 적용가능하므로 이에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하기로 한다.

제1전극(1125)과, 바이폴라 플레이트(1110)와, 제2전극(1126)은 두께가 일정한 사각형의 평판형상으로 형성된다. 제1전극(1125)과, 바이폴라 플레이트(1110)와, 제2전극(1126)은 상기 삽입공의 형상에 대응되도록 형성된다. 제2전극(1126)과 바이폴라 플레이트(1110)와, 제1전극(1125)은 제2매니폴드(1120)의 상기 삽입공에 삽입된다.

제1전극(1125)과 제2전극(1126) 중 하나는 음극전극이 되고, 나머지 하나는 양극 전극이 된다.

또한, 바이폴라 플레이트(1110)는 상기 제2매니폴드(1120) 내측에 접착제 또는 열융착을 통해 설치될 수 있다.

상기 스택의 전단과 후단 사이에는 전해액 주입구가 형성된 전해액 주입 플레이트(11c)가 배치된다. 상세하게는, 전해액 주입 플레이트(11c)는 상기 스택의 전단과 후단의 중간에 배치된다. 예를 들어, 상기 전지 셀이 10개가 구비된 스택이라면, 5번째 전지 셀과 6번째 전지 셀 사이인 상기 스택 중간에 배치되는 제1매니폴드(1123, 1124) 사이에 전해액 주입 플레이트(11c)가 배치된다. 따라서, 상기 스택의 전단과 후단 사이인 중간에서 전해액이 주입된다. 주입된 전해액은 상기 스택의 전방과 후방으로 각각 전달된다.

여기서 상기 전해액 주입구와 상기 전해액 배출구는 도면에 도시하지는 않았지만 양극전해액탱크 및 음극전해액탱크와 연결되어 있으며, 별도로 구비된 펌프의 구동에 의해 양극전해액과 음극전해액이 순환하게 된다.

전해액 주입 플레이트(11c)는 사각형의 판형상으로 형성된다.

상기 전해액 주입구는 양극전해액탱크로부터 양극전해액이 주입되는 제1주입구(7)와, 음극전해액탱크로부터 음극전해액이 주입되는 제2주입구(3)를 포함한다.

제1주입구(7)와 제2주입구(3)는 전해액 주입 플레이트(11c)의 양측 하부에 형성된다. 제1주입구(7)는 우측에 배치되고, 제2주입구(3)는 좌측에 배치될 수 있다. 즉, 상기 전해액 주입구는 외부로 노출되어 전해액탱크에 용이하게 연결될 수 있다.

전해액 주입 플레이트(11c)에는 상기 전해액 주입구에 연통되는 전해액 분배유로(2,4)가 형성된다. 상기 전해액 분배유로(2,4)는 전후방향으로 관통되게 형성된다. 이러한 전해액 분배유로를 통해 전해액 주입 플레이트(11c)의 전방과 후방에 배치된 상기 전지 셀에 모두 전해액을 원활하게 분배할 수 있다.

상기 전해액 분배유로(2,4)는 상기 매니폴드에 형성된 상기 전해액 유입구에 연통된다.

이와 같이, 상기 전해액이 상기 스택의 중간에서 주입되어 전해액의 이동거리가 종래보다 짧아지게 된다. 이로 인해, 도 6에 도시된 바와 같이, 중앙부의 압력강하가 감소되어 전지 셀과 전지 셀 사이의 전압과 전류 분포가 더욱 균일해지게 된다. 이로 인해 과전압과 과전류 발생을 최소화할 수 있게 되어 전지의 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 전해액 주입 플레이트(11c)의 상부 양측에는 배출 전해액 통과유로(5,6)가 전후방향으로 관통되도록 형성될 수 있다. 배출 전해액 통과유로(5,6)는 엔드플레이트(11a, 11b)에 형성된 상기 전해액 배출구에 연통되어 전해액이 원활하게 배출될 수 있다. 즉, 배출 전해액 통과유로(5,6)는 배출되는 전해액이 통과하는 구멍이다. 이로 인해, 전해액은 상기 스택의 최외측(전방과 후방)으로 배출된다.

전술한 바와 다르게, 상기 전해액 배출구도 전해액 주입 플레이트(11c)에 형성되어, 상기 전해액이 상기 스택의 전단과 후단 사이인 중간에서 배출되도록 할 수도 있다.

또한, 전술한 바와 다르게, 배출 전해액 통과유로(5,6)와 제1주입구(7)와 제2주입구(3)의 상하 위치는 반대로 변경될 수도 있다.

전해액 주입 플레이트(11c)에는 복수의 전지 셀을 결합시키는 체결부재가 관통하기 위한 체결공(미도시)이 전후방향으로 관통되어 형성된다.

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 11c : 전해액 주입 플레이트
12a, 12b : 집전체
1110 : 바이폴라 플레이트 1120 : 제2매니폴드
1123, 1124 : 제1매니폴드 1125 : 제1전극
1126 : 제2전극 1130 : 분리막

Claims (6)

1. 전방과 후방에 각각 배치되는 엔드플레이트;
   상기 엔드플레이트 사이에 배치되는 복수의 전지 셀이 적층된 스택을 포함하며,
   상기 스택의 전단과 후단 사이에서 전해액이 주입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스택의 전단과 후단의 중간에서 전해액이 주입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 스택의 전단과 후단 사이에는 전해액 주입 플레이트가 배치되고,
   상기 전해액은 상기 전해액 주입 플레이트에 형성된 전해액 주입구를 통해 주입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 전해액은 상기 스택의 최외측으로 배출되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 전해액은 상기 스택의 전단과 후단 사이에서 배출되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
6. 제 3항에 있어서,
   상기 전해액 주입구는 양극 전해액이 주입되는 제1주입구와, 음극 전해액이 주입되는 제2주입구를 포함하며,
   상기 제1주입구와 상기 제2주입구는 상기 전해액 주입 플레이트의 양측 하부에 각각 형성되며,
   상기 전해액은 두개의 상기 엔드플레이트의 양측 상부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.

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