KR20170027890A - 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지에 관한 것으로, 유로 구조를 단순화하면서 션트 전류(shunt current)의 발생을 개선하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 플로우 프레임은 중심 부분에 전극이 설치되는 전극 삽입홀이 형성된 프레임 몸체, 전극을 중심으로 일측의 프레임 몸체에 형성되어 전극으로 전해액을 주입하는 주입 유로부, 및 전극을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체에 형성되어 전극으로부터 전해액을 유출하는 유출 유로부를 포함한다. 주입 유로부와 유출 유로부는 각각, 프레임 몸체에 형성된 매니폴드와, 매니폴드와 전극 삽입홀을 연결하는 복수의 채널을 포함한다. 복수의 채널은 단면적과 길이가 서로 상이하다.

Description

가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지{Flow flame having variable channel and redox flow secondary battery comprising the same}
본 발명은 레독스 플로우 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플로우 프레임의 유로 구조를 형성하는 채널들의 단면적과 길이를 달리하여 채널들을 통한 전해액의 유속 균일성과 압력 손실(pressure drop)을 최소화하여 션트 전류(shunt current)의 발생을 개선하고 유로 구조를 단순화 한 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지에 관한 것이다.
레독스 플로우 이차전지에서 레독스는 환원(Reduction)과 산화(Oxidation)를 단축하여 합성한 용어이다. 레독스 플로우 이차전지는 활성물질인 두 종류의 레독스 커플의 용액이 양극과 음극에서 반응하는 시스템의 이차전지이다. 레독스 플로우 이차전지는 레독스 커플 용액을 전지셀의 외부에서 공급하여 충ㅇ방전하는 전지이다. 레독스 커플로는 Fe/Cr, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce, V/V등이 사용되며, 저장 가능한 전기량이나 경제성 등을 고려해서 V/V가 많이 이용되고 있다.
레독스 플로우 이차전지는 전지셀의 외부에서 반응물질을 연속적으로 공급해서 동작하는 전지라는 점에서 연료전지에 포함될 수 있다. 그리고 충ㅇ방전이 가능하기 때문에, 레독스 플로우 이차전지는 전기 재생형 연료전지로도 분류할 수 있다.
이러한 레독스 플로우 이차전지는 여러 장의 단위 셀을 적층하여 스택화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 레독스 플로우 이차전지는 높은 이온전도도를 갖는 전해액을 사용함에 따라 플로우 프레임(flow frame)의 유로를 통해 전해액에 의한 전기적 통로 형성으로 인해 션트 전류가 무조건적으로 발생하게 된다.
션트 전류가 발생되는 이유에 대해서 설명하면 다음과 같다. 레독스 플로우 이차전지는 비상용 전원 장치로 주로 사용된다. 이로 인해 레독스 플로우 이차전지는 충전된 상태로 놓여 있다가 비상 상황 시 작동되기 때문에, 대기 시간이 길어질 수 있다. 이와 같이 충전된 레독스 플로우 이차전지의 대기 시간이 길어지면 션트 전류가 발생하게 된다. 즉 레독스 플로우 이차전지의 대기시간이 길어지면 스택의 단위 셀들 내부에 존재하는 전해액의 내부에 녹아있는 활물질이 분리막을 통해 반대편으로 이동하면서 전기화학적 반응이 발생하여 자가방전이 일어난다. 이와 더불어 단위 셀로 전해액을 공급하기 위하여 설치되는 전해액 이동 통로인 채널(배관) 등에 남아있는 다량의 전해액까지 스택 내부로 확산되면 더 많은 자가방전이 일어나게 된다. 이렇게 방전된 전해액을 다시 충전시키기 위해서는 다시 에너지를 인가해야 하기 때문에 전력손실이 발생 될 수 밖에 없다.
특히 스택 체결 후 전해액 통로로 단위 셀의 숫자가 증가할수록 션트 전류가 증가함에 따라 에너지 효율의 감소 뿐만 아니라 스택되는 단위 셀 수의 제한 요인으로 인식되고 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 레독스 플로우 이차전지에 사용되는 플로우 프레임의 경우 유량 분배를 일정하게 하고 압력 손실을 최소화하기 위한 간단한 매니폴드(manifold) 및 플로우 채널(flow channel) 구조가 사용되고 있다. 하지만 종래의 플로우 프레임의 유로 구조로는 션트 전류를 개선하는 데는 한계가 존재한다.
한국등록특허 제10-1291753호(2013.07.25.)
이와 같은 기존의 션트 전류를 최소화하기 위한 연구는 플로우 채널의 단면적을 작게 하고 길이를 길게 하여 션트 저항(shunt resistance)을 극대화 할 수 있는 방향으로 유로 설계가 진행되어 왔지만 아직까지 충분하지 않은 상태이다. 또한 션트 저항을 극대화 한 유로 구조는 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 개선하는 데 한계가 있다. 또한 션트 저항을 극대화 한 유로 구조는 복잡하면서 긴 유로 구조를 요구하기 때문에, 플로우 프레임 내에 유로 구조를 디자인하는 데 제한 요인으로 작용하고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 플로우 프레임의 유로 구조를 형성하는 채널들의 단면적과 길이를 달리하여 유로 구조를 단순화 한 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 채널들의 단면적과 길이를 달리하는 가변 채널의 도입을 통하여 가변 채널들을 통한 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 최소화하여 션트 전류의 발생을 개선하는 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프레임 몸체, 주입 유로부 및 유출 유로부를 포함하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임을 제공한다. 상기 프레임 몸체는 중심 부분에 전극이 설치되는 전극 삽입홀이 형성되어 있다. 상기 주입 유로부는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 일측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로 전해액을 주입한다. 그리고 상기 유출 유로부는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 상기 일측에 마주보는 타측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로부터 상기 전해액을 유출한다.
상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부는 각각, 매니폴드 및 복수의 채널을 포함한다. 상기 매니폴드는 상기 프레임 몸체를 관통하여 형성된다. 상기 복수의 채널은 상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 매니폴드에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는다.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 복수의 채널은 상기 매니폴드를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 전극 삽입홀은 직사각관 형태를 가질 수 있다. 상기 매니폴드는 상기 전극 삽입홀의 일측 모서리 쪽에 형성될 수 있다. 그리고 상기 복수의 채널은 상기 전극 삽입홀의 일측면에 수평한 수평 채널부와, 상기 수평 채널부와 상기 전극 삽입홀의 일측면을 수직 방향으로 연결하는 수직 채널부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 복수의 채널은 메인 채널, 분지조 및 복수의 브랜치 채널을 포함할 수 있다. 상기 메인 채널은 상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 매니폴드와 일단이 연결되며 상기 매니폴드 보다는 작은 내경을 갖는다. 상기 분지조는 상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 메인 채널의 타단에 연결되며 상기 메인 채널의 내경보다는 큰 내부 공간을 갖는다. 그리고 상기 복수의 브랜치 채널은 상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 분지조에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 상기 메인 채널 보다는 작은 내경을 갖는다.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 복수의 브랜치 채널은 상기 분지조를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 분지조는 단면이 원형 또는 타원형의 형태를 가지고, 내경이 상기 메인 채널의 내경의 10배 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부의 매니폴드는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 및 대각선 쪽의 모서리 중에 하나에 형성될 수 있다.
그리고 본 발명은 또한, 전술된 플로우 프레임을 구비하는 복수의 단위 셀과, 복수의 바이폴라 플레이트를 포함하는 레독스 플로우 이차전지를 제공한다. 상기 복수의 단위 셀은 분리막, 상기 분리막을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 제2 전극에 각각 결합되어 상기 제1 및 제2 전극으로 전해액을 흘려주는 제1 및 제2 플로우 프레임을 구비하며 스택된다. 그리고 상기 복수의 바이폴라 플레이트는 상기 복수의 단위 셀 사이에 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀의 양쪽에 스택된다.
본 발명에 따르면, 매니폴드에 연결되는 다수의 채널의 단면적과 길이를 달리함으로써, 다수의 채널을 동일한 길이와 단면적을 갖도록 설계하는 것에 비해서, 플로우 프레임에 형성되는 유로 구조를 단순화할 수 있다. 이로 인해 플로우 프레임에서 유로가 차지하는 면적을 감소시킬 수 있기 때문에, 채널 부분을 컴팩트하게 제작할 수 있다.
또한 채널들의 단면적과 길이를 달리하는 가변 채널의 도입을 통하여 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 최소화하여 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다.
또한 전해액의 유속 균일성을 개선함으로써, 전해액의 유량 분포도를 개선할 수 있기 때문에, 단위 셀들의 스택 안정성을 향상시킬 수 있다. 이로 인해 단위 셀들의 스택 안정성을 향상시킬 수 있기 때문에, 레독스 플로우 이차전지에서 스택되는 단위 셀의 수를 증가시키고 직렬 연결 특성을 확대할 수 있다.
또한 스택되는 단위 셀 수의 증가와 직렬 연결 특성을 확대함으로써, 레독스 플로우 이차전지의 고전압화를 구현할 수 있다.
또한 플로우 프레임 내의 유로 구조를 메인 채널과 다수의 브랜치 채널로 구성함으로써, 션트 저항을 증가시켜 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다. 즉 메인 채널에서 다수의 브랜치 채널로 분지되는 분지점을 원형 또는 타원형 형태로 설계함으로써, 전해액의 유속 균일성을 개선하고 압력 손실을 최소화하여 레독스 플로우 이차전지의 효율을 개선할 수 있다.
물론 분지점을 매개로 연결되는 브랜치 채널들은 단면적과 길이를 달리함으로써, 플로우 프레임에 형성되는 유로 구조를 단순화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하나의 단위 셀을 구비하는 레독스 플로우 이차전지를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수의 단위 셀을 구비하는 레독스 플로우 이차전지를 보여주는 도면이다.
도 3은 제1 비교예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하나의 단위 셀을 구비하는 레독스 플로우 이차전지를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)는 단위 셀(10)과, 단위 셀(10)의 양쪽에 접합되는 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)를 포함하며, 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)의 외측에 순차적으로 설치되는 제1 및 제2 집전체(71,79), 제1 및 제2 셀프레임(81,89), 제1 및 제2 전해액 탱크(91,96), 제1 및 제2 펌프(92,97)를 더 포함할 수 있다.
단위 셀(10)은 분리막(11), 제1 전극(13), 제2 전극(15), 제1 플로우 프레임(20) 및 제2 플로우 프레임(50)을 포함한다. 분리막(11)을 사이에 두고 서로 마주보게 제1 전극(13)과 제2 전극(15)이 배치된다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 제1 전극(13)과 제2 전극(15)에 각각 결합되어 제1 및 제2 전극(15)으로 전해액을 흘려준다. 제1 전극(13)과 제2 전극(15)은 서로 반대되는 극성을 갖는 전극이다. 예컨대 제1 전극(13)이 양극이고, 제2 전극(15)이 음극일 수 있다.
이때 분리막(11)은 충전 또는 방전 시 제1 전해액과, 제2 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다. 이러한 분리막(11)은 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다.
제1 및 제2 전극(13,15)은 각각 제1 및 제2 전해액의 산화ㅇ환원을 위한 활성 사이트(active site)를 제공한다. 제1 및 제2 전극(13,15)으로는 펠트전극이 사용될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 전극(13,15)의 소재로는 부직포, 탄소섬유, 탄소 페이퍼 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게 제1 및 제2 전극(13,15)은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(Rayon) 계열로 형성된 카본펠트전극일 수 있다.
그리고 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 각각 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)이 삽입 설치되는 제1 전극 삽입홀(27)과 제2 전극 삽입홀(57)이 각각 형성되어 있다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 각각 제1 및 제2 전극 삽입홀(27,27)에 삽입된 제1 및 제2 전극(15)으로 제1 전해액과 제2 전해액을 흘려주기 위한 통로인 유로를 포함한다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등의 플라스틱 수지가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 한편 제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)는 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)에 형성된 유로 구조에 기술적 특징이 있기 때문에, 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)에 대해서는 후술하도록 하겠다.
레독스 플로우 이차전지(100)에서 제1 전해액과 제2 전해액으로는 일반적으로 적용되는 레독스 커플을 사용할 수 있다. 예컨대 제1 전해액은 V4+/V5+ 커플을 레독스 커플로 사용하고, 제2 전해액은 V2+/V3+ 커플을 레독스 커플로 사용할 수 있다.
한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)는 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)의 외측에 적층된다. 바이폴라 플레이트(61,69)로는 도전성 플레이트가 사용될 수 있다. 바이폴라 플레이트(61,69)의 소재로 도전성 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 예컨대 바이폴라 플레이트(61,69)는 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 그라파이트 플레이트를 단독으로 바이폴라 플레이트(61,69)로 사용하는 경우, 전해액에 사용된 강산이 그라파이트 플레이트를 투과할 수 있다. 따라서 바이폴라 플레이트(61,69)로는 강산의 투과를 막기 위하여 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다
이때 제1 플로우 프레임(20)의 제1 전극 삽입홀(27)에 삽입된 제1 전극(13)에 있어서, 제1 전극 삽입홀(27)을 통하여 외부로 노출된 제1 전극(13)의 양면은 각각 분리막(11)과 바이폴라 플레이트(61,69)에 접촉한다. 분리막(11), 제1 플로우 프레임(20) 및 바이폴라 플레이트(61,69)의 계면을 통해서 제1 전해액이 누액되는 것을 억제하기 위해서, 분리막(11)과 제1 플로우 프레임(20) 사이, 또는 제1 플로우 프레임(20)과 바이폴라 플레이트(61) 사이에 개스킷이 개재될 수 있다.
또한 제2 플로우 프레임(50)의 제2 전극 삽입홀(57)에 삽입된 제2 전극(15)에 있어서, 제2 전극 삽입홀(57)을 통하여 외부로 노출된 제2 전극(15)의 양면은 각각 분리막(11)과 바이폴라 플레이트(61,69)에 접촉한다. 분리막(11), 제2 플로우 프레임(50) 및 바이폴라 플레이트(61,69)의 계면을 통해서 제2 전해액이 누액되는 것을 억제하기 위해서, 분리막(11)과 제2 플로우 프레임(50) 사이, 또는 제2 플로우 프레임(50)과 바이폴라 플레이트(61,69) 사이에 개스킷이 개재될 수 있다.
한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)의 외측에 제1 및 제2 집전체(71,79)가 적층된다. 제1 및 제2 집전체(71,79)는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 이러한 제1 및 제2 집전체(71,79)는 구리 또는 황동 소재의 전도성 금속판이 사용될 수 있다.
제1 및 제2 집전체(71,79)의 외측에 제1 및 제2 셀프레임(81,89)이 결합된다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)은 사이에 개재된 단위 셀(10), 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69), 제1 및 제2 집전체(71,79)를 고정한다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)에는 각각 단위 셀(10)의 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)으로 제1 및 제2 전해액을 주입하거나 유출시키는 주입구와 유출구가 형성되어 있다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)의 소재로는 절연체가 사용될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 셀프레임(81,89)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 아니다.
제1 전해액 탱크(91)는 제1 셀프레임(81)에 형성된 주입구와 유출구에 각각 제1 유입관(93)과 제1 유출관(94)이 연결되어 제1 전해액을 제1 셀프레임(81)으로 순환시킨다. 이때 제1 유입관(93)에는 제1 전해액을 순환시키기 위한 제1 펌프(92)가 연결된다.
그리고 제2 전해액 탱크(96)는 제2 셀프레임(81,89)에 형성된 주입구와 유출구에 각각 제2 유입관(98)과 제2 유출관(99)이 연결되어 제2 전해액을 제2 셀프레임(89)으로 순환시킨다. 이때 제2 유입관(98)에는 제2 전해액을 순환시키기 위한 제2 펌프(97)가 연결된다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)는 다음과 같이 제1 및 제2 전해액을 순환시킨다. 즉 제1 전해액 탱크(91)로부터 인출된 제1 전해액은 제1 펌프(92)의 동작에 의해 제1 유입관(93)을 통하여 제1 셀프레임(81)의 유입구로 주입된다. 제1 셀프레임(81)의 유입구로 주입된 제1 전해액은 제1 집전체(71) 및 제1 바이폴라 플레이트(61)를 지나 단위 셀(10)의 제1 플로우 프레임(20)을 통하여 제1 전극(13)을 통과한다. 그리고 제1 전극(13)을 통과한 제1 전해액은 제1 플로우 프레임(20), 제1 바이폴라 플레이트(61), 제2 집전체(79) 및 제1 셀프레임(81)의 유출구를 통하여 제1 유출관(94)으로 유출된다. 그리고 제1 유출관(94)으로 유출된 제1 전해액은 제1 전해액 탱크(91)로 들어가게 된다.
그리고 제2 전해액 탱크(96)로부터 인출된 제2 전해액은 제2 펌프(97)의 동작에 의해 제2 유입관(98)을 통하여 제2 셀프레임(89)의 유입구로 주입된다. 제2 셀프레임(89)의 유입구로 주입된 제2 전해액은 제2 집전체(79) 및 제2 바이폴라 플레이트(69)를 지나 단위 셀(10)의 제2 플로우 프레임(50)을 통하여 제2 전극(15)을 통과한다. 그리고 제2 전극(15)을 통과한 제2 전해액은 제2 플로우 프레임(50), 제2 바이폴라 플레이트(69), 제2 집전체(79) 및 제2 셀프레임(89)의 유출구를 통하여 제2 유출관(99)으로 유출된다. 그리고 제2 유출관(99)으로 유출된 제2 전해액은 제2 전해액 탱크(96)로 들어가게 된다.
한편 도 1에서는 레독스 플로우 이차전지(100)가 하나의 단위 셀(10)을 구비하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 도 2에 도시된 바와 같이, 레독스 플로우 이차전지(200)는 복수의 단위 셀(10)이 스택된 구조를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수의 단위 셀(10)을 구비하는 레독스 플로우 이차전지(200)를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 레독스 플로우 이차전지(200)는 복수의 단위 셀(10) 사이에 바이폴라 플레이트(60)가 각각 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀(10)의 양쪽에 한 쌍의 바이폴라 플레이트(60)가 배치된 구조를 제외하면, 도 1의 레독스 플로우 이차전지(100)와 동일한 구조를 갖는다. 즉 레독스 플로우 이차전지(200)는 스택된 복수의 단위 셀(10)의 양쪽 외측에 위치하는 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)에 제1 및 제2 집전체(71,79), 제1 및 제2 셀프레임(81,89), 제1 및 제2 전해액 탱크(91,96)가 연결된다.
한편 도 2에 따른 레독스 플로우 이차전지(200)는 3개의 단위 셀(10)이 스택된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 2개 이상의 단위 셀(10)을 스택하여 레독스 플로우 이차전지를 구현할 수 있다.
한편 레독스 플로우 이차전지의 션트 전류를 개선하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 기존에는 폭이 좁고 길이가 긴 여러 개의 채널(336)을 적용한 유로 디자인을 적용한 플로우 프레임(320,350)이 개발되었다. 여기서 도 3은 제1 비교예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임(320,350)을 보여주는 평면도이다.
도 3을 참조하면, 매니폴드(331)에 다수의 채널(336)이 연결된 단일 구조의 플로우 프레임(320,350)을 이용하여 레독스 플로우 이차전지를 구성하였다.
즉 플로우 프레임(320,350)은 프레임 몸체(321), 주입 유로부(323) 및 유출 유로부를 포함한다. 프레임 몸체(321)는 중심 부분에 전극이 삽입되는 전극 삽입홀(327,357)이 형성되어 있다. 주입 유로부(323)는 전극 삽입홀(327,357)을 중심으로 일측의 프레임 몸체(321)에 형성되어 전극 삽입홀(327,357)로 전해액을 주입한다. 그리고 유출 유로부는 전극 삽입홀(327,357)을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체(321)에 형성되어 전극 삽입홀(327,357)으로부터 전해액을 유출한다.
이때 주입 유로부(323)는 제1 매니폴드(331)와, 복수의 제1 채널(336)을 포함한다. 도시하진 않았지만 유출 유로부(325)는 제2 매니폴드(431)와, 복수의 제2 채널(436)을 포함한다.
그러나 제1 비교예에 따른 플로우 프레임(320,350)의 유로 디자인은 길이가 동일한 단면적과 길이를 갖는 복수의 채널(336,436)을 적용함으로써 유로 모형이 복잡해지는 단점이 있었다. 즉 복수의 채널(336,436)이 동일한 길이를 갖기 때문에, 제1 및 제2 매니폴드(331,431)를 중심으로 전극 삽입홀(327,357)에 연결되는 지점까지의 거리가 가까워질수록 굴곡부의 수가 증가하기 때문에, 유로 모형이 복잡해지고 플로우 프레임(320,350)에서 주입 유로부(323) 및 유출 유로부(325)가 차지하는 면적이 커지는 문제점을 안고 있다.
본 발명에서는 아래의 수학식 1과 같은 유체의 압력 손실 관계식을 이용하여 수학식 2와 같은 기하 관계(geometric relation)를 얻을 수 있다. 수학식 2는 △p에 대해 채널의 길이(l)와 직경(D)에 대한 관계식이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서 Q=const=VA이기 때문에, V=C3/D 이며, 층류영역에서 f=64/Re=64υ/VD 이다.
[수학식 2]
Figure pat00002
△p : 압력 손실
D : 직경(Diameter)
l : 길이(length)
V : 면적(A)에 대한 유체 속도(Mean Velocity)
ρ : 밀도(Density)
Q : 체적유체
f : 마찰계수
υ : 채널 내의 평균 유속
Re : 유체의 레이놀즈 수(Reynolds number of the flow)
ρV2/2 : 단위 체적 당 운동 에너지(kinetic energy per unit volume)
이와 같은 채널의 기하 관계를 이용하여, 본 발명에서는 각 채널의 단면적과 길이를 변화시켜 기존의 복합한 채널 구조를 단순화 하였다.
제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)에 적용된 단위 셀(10)의 플로우 프레임(20,50)에 대해서 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 4는 본 발명의 제1 실시예 따른 단위 셀(10)의 플로우 프레임(20,50)을 보여주는 평면도이다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 플로우 프레임(20,50)은 프레임 몸체(21), 주입 유로부(23) 및 유출 유로부(25)를 포함한다. 프레임 몸체(21)는 중심 부분에 전극(13,15)이 삽입되는 전극 삽입홀(27,57)이 형성되어 있다. 주입 유로부(23)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)로 전해액을 주입한다. 그리고 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)으로부터 전해액을 유출한다.
이때 제1 실시예에 따른 플로우 프레임(20,50)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상부에 주입 유로부(23)가 형성되고 하부에 유출 유로부(25)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 플로우 프레임(20,50)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 하부에 주입 유로부(23)가 형성되고 상부에 유출 유로부(25)가 형성될 수 있다.
주입 유로부(23)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측과, 유출 유로부(25)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 타측에는 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액이 흐를 수 있도록, 각각 미세주입유로(17)와 미세유출유로(19)가 형성되어 있다. 주입 유로부(23), 유출 유로부(25), 미세주입유로(17) 및 미세유출유로(19)는 각각 프레임 몸체(21)의 일면에 음각 형태로 형성된다.
이때 프레임 몸체(21)는 플로우 프레임(20,50)의 외형을 이루는 부분이며, 예컨대 직사각판에 가까운 형태로 구현될 수 있다. 프레임 몸체(21)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등의 플라스틱 수지가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
주입 유로부(23)는 제1 매니폴드(31)와, 복수의 제1 채널(36)을 포함한다. 유출 유로부(25)는 제2 매니폴드(41)와, 복수의 제2 채널(46)을 포함한다.
주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 동일한 구성을 갖기 때문에, 주입 유로부(23)를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성된다.
제1 매니폴드(31)는 프레임 몸체(21)를 관통하도록 형성된다. 복수의 제1 채널(36)은 프레임 몸체(21)에 형성되고, 일단이 제1 매니폴드(31)에 연결되고 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는다.
제1 매니폴드(31)는 셀프레임의 주입구와 연결된다. 제2 매니폴드(41)는 셀프레임의 유출구와 연결된다. 펌프의 구동에 의해 전해액 탱크의 전해액이 셀프레임의 주입구를 지나 제1 매니폴드(31)를 통해서 전극 삽입홀(27,57)으로 공급되고, 전극 삽입홀(27,57)을 통과한 전해액은 제2 매니폴드(41)를 통해서 셀프레임의 유출구를 지나 전해액 탱크로 회수된다. 제1 매니폴드(31)와 제2 매니폴드(41)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 쪽에 형성될 수 있다.
제1 매니폴드(31)는, 전극 삽입홀(27,57)이 직사각관 형태로 갖는 경우, 전극 삽입홀(27,57)의 일측 모서리 쪽에 형성될 수 있다.
그리고 복수의 제1 채널(36)은 일단이 제1 매니폴드(31)에 연결되고, 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면의 서로 다른 지점에 연결된다. 즉 복수의 제1 채널(36)의 타단은 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 형성된 미세주입유로(17)의 서로 다른 지점에 연결된다. 복수의 제1 채널(36)이 연결되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측면은 주입 유로부(23)가 형성된 쪽에 위치하는 전극 삽입홀(27,57)의 측면이다.
복수의 제1 채널(36)은, 미세주입유로(17)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액을 주입할 수 있도록, 제1 매니폴드(31)를 중심으로 전극 삽입홀(27,57)에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 갖는다. 이와 같이 복수의 제1 채널(36)을 형성한 이유는 동일한 △p를 확보함으로써, 압력 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.
즉 복수의 제1 채널(36)은 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 수평한 수평 채널부(36a)와, 수평 채널부(36a)와 전극 삽입홀(27,57)의 일측면을 수직 방향으로 연결하는 수직 채널부(36b)를 포함한다. 즉 복수의 제1 채널(36)은 모두 하나의 굴곡부를 구비하는 기역자 형태로 단순하게 형성될 수 있다.
예컨대 제1 실시예에 따른 주입 유로부(23)는 5개의 제1 채널을 구비하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 전극 삽입홀(27,57)의 크기에 따라 제1 채널의 수는 변경될 수 있다.
그리고 주입 유로부(23)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 유입되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 전체적으로 동일한 속도로 공급될 수 있도록 하기 위해서, 미세주입유로(17)의 단면적의 총합과 제1 매니폴드(31)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다. 또한 전극 삽입홀(27,57)으로부터 유출되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 타측면에 전체적으로 동일한 속도로 유출될 수 있도록 하기 위해서, 미세유출유로(19)의 단면적의 총합과 제2 매니폴드(41)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 플로우 프레임(20,50)은 매니폴드(31,41)에 연결되는 다수의 채널(36,46)의 단면적과 길이를 달리함으로써, 플로우 프레임(20,50)에 형성되는 유로 구조를 단순화할 수 있다. 이로 인해 플로우 프레임(20,50)에서 유로가 차지하는 면적을 감소시킬 수 있기 때문에, 플로우 프레임(20,50)에서 주입 유로부(23) 및 유출 유로부(25)가 차지하는 면적을 최소화할 수 있다. 따라서 제1 실시예에 따른 플로우 프레임(20,50)을 이용할 경우, 컴팩트한 레독스 플로우 이차전지(100)의 제작이 가능하다.
또한 채널들(36,46)의 단면적과 길이를 달리하는 가변 채널의 도입을 통하여 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 최소화하여 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다.
또한 전해액의 유속 균일성을 개선함으로써, 전해액의 유량 분포도를 개선할 수 있기 때문에, 단위 셀들(10)의 스택 안정성을 향상시킬 수 있다. 이로 인해 단위 셀들(10)의 스택 안정성을 향상시킬 수 있기 때문에, 레독스 플로우 이차전지(200)에서 스택되는 단위 셀(10)의 수를 증가시키고 직렬 연결 특성을 확대할 수 있다.
또한 스택되는 단위 셀(10) 수의 증가와 직렬 연결 특성을 확대함으로써, 레독스 플로우 이차전지(200)의 고전압화를 구현할 수 있다.
제2 실시예
도 5는 본 발명의 제2 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 단위 셀(10)에 적용되는 플로우 프레임(120,150)은 제1 전극(13)에 적용되는 제1 플로우 프레임(120)과, 제2 전극(15)에 적용되는 제2 플로우 프레임(150)을 포함하며, 동일한 구조를 갖는다.
플로우 프레임(120,150)은 프레임 몸체(21), 주입 유로부(23) 및 유출 유로부(25)를 포함한다. 프레임 몸체(21)는 중심 부분에 전극(13,15)이 삽입되는 전극 삽입홀(27,57)이 형성되어 있다. 주입 유로부(23)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)로 전해액을 주입한다. 그리고 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)으로부터 전해액을 유출한다.
이때 제2 실시예에 따른 플로우 프레임(120,150)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상부에 주입 유로부(23)가 형성되고 하부에 유출 유로부(25)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 플로우 프레임(120,150)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 하부에 주입 유로부(23)가 형성되고 상부에 유출 유로부(25)가 형성될 수 있다.
주입 유로부(23)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측과, 유출 유로부(25)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 타측에는 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액이 흐를 수 있도록, 각각 미세주입유로(17)와 미세유출유로(19)가 형성되어 있다. 주입 유로부(23), 유출 유로부(25), 미세주입유로(17) 및 미세유출유로(19)는 각각 프레임 몸체(21)의 일면에 음각 형태로 형성된다.
이때 프레임 몸체(21)는 플로우 프레임(120,150)의 외형을 이루는 부분이며, 예컨대 직사각판에 가까운 형태로 구현될 수 있다. 프레임 몸체(21)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등의 플라스틱 수지가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
주입 유로부(23)는 제1 매니폴드(31), 복수의 제1 채널(36)을 포함한다. 유출 유로부(25)는 제2 매니폴드(41)와, 복수의 제2 채널(46)을 포함한다. 이때 복수의 제1 채널(36)은 제1 메인 채널(33), 제1 분지조(35) 및 복수의 제1 브랜치 채널(37)을 포함한다. 복수의 제2 채널(46)은 제2 메인 채널(43), 제2 분지조(45) 및 복수의 제2 브랜치 채널(47)을 포함한다.
주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 동일한 구성을 갖기 때문에, 주입 유로부(23)를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성된다.
제1 매니폴드(31)는 프레임 몸체(21)를 관통하도록 형성된다. 제1 메인 채널(33)은 프레임 몸체(21)에 형성되고, 제1 매니폴드(31)와 일단이 연결되며 제1 매니폴드(31) 보다는 작은 내경을 갖는다. 제1 분지조(35)는 프레임 몸체(21)에 형성되고, 제1 메인 채널(33)의 타단에 연결되며 제1 메인 채널(33)의 내경보다는 큰 내부 공간을 갖는다. 그리고 복수의 제1 브랜치 채널(37)은 프레임 몸체(21)에 형성되고, 일단이 제1 분지조(35)에 연결되고 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측에 연결되며 제1 메인 채널(33) 보다는 작은 내경을 갖는다.
제1 매니폴드(31)는 셀프레임의 주입구와 연결된다. 제2 매니폴드(41)는 셀프레임의 유출구와 연결된다. 펌프의 구동에 의해 전해액 탱크의 전해액이 셀프레임의 주입구를 지나 제1 매니폴드(31)를 통해서 전극 삽입홀(27,57)으로 공급되고, 제1 전극 삽입홀(27,57)을 통과한 전해액은 제2 매니폴드(41)를 통해서 셀프레임(81)의 유출구를 지나 전해액 탱크로 회수된다. 제1 매니폴드(31)와 제2 매니폴드(41)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 쪽에 형성될 수 있다.
제1 매니폴드(31)는, 전극 삽입홀(27,57)이 직사각관 형태로 갖는 경우, 전극 삽입홀(27,57)의 일측 모서리 쪽에 형성될 수 있다.
제1 메인 채널(33)은 일측이 제1 매니폴드(31)에 연결되어 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 수평하게 형성될 수 있다. 제1 실시예에서는 전극 삽입홀(27,57)의 상부의 일측면에 수평하게 제1 메인 채널(33)이 형성된 예를 개시하였다.
제1 분지조(35)는 제1 메인 채널(33)과 복수의 제1 브랜치 채널(37)의 연결을 매개한다. 제1 분지조(35)는 제1 메인 채널(33)에서 복수의 제1 브랜치 채널(37)로 전해액이 흐를 때, 복수의 제1 브랜치 채널(37)에서의 유속분포도를 균일하게 한다. 이러한 제1 분지조(35)는 단면이 원형 또는 타원형의 형태를 가지고, 내경이 제1 메인 채널(33)의 내경의 1배 내지 10배일 수 있다.
그리고 복수의 제1 브랜치 채널(37)은 일단이 제1 분지조(35)에 연결되고, 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면의 서로 다른 지점에 연결된다. 즉 복수의 제1 브랜치 채널(37)의 타단은 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 형성된 미세주입유로(17)의 서로 다른 지점에 연결된다. 복수의 제1 브랜치 채널(37)이 연결되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측면은 주입 유로부(23)가 형성된 쪽에 위치하는 전극 삽입홀(27,57)의 측면이다.
복수의 제1 브랜치 채널(37)은, 미세주입유로(17)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액을 주입할 수 있도록, 제1 분지조(35)를 중심으로 전극 삽입홀(27,57)에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 갖는다. 이와 같이 복수의 제1 브랜치 채널(37)을 형성한 이유는 동일한 △p를 확보함으로써, 압력 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.
제2 실시예에 따른 주입 유로부(23)는 1개의 제1 메인 채널(33)과, 5개의 제1 브랜치 채널(37)을 구비하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 주입 유로부(23)는 1개 이상의 제1 메인 채널(33)과, 제1 메인 채널(33) 보다 많은 수의 제1 브랜치 채널(37)을 구비할 수 있다.
그리고 주입 유로부(23)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 유입되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 전체적으로 동일한 속도로 공급될 수 있도록 하기 위해서, 미세주입유로(17)의 단면적의 총합과 제1 매니폴드(31)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다. 또한 전극 삽입홀(27,57)으로부터 유출되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 타측면에 전체적으로 동일한 속도로 유출될 수 있도록 하기 위해서, 미세유출유로(19)의 단면적의 총합과 제2 매니폴드(41)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 제2 실시예에 따른 플로우 프레임(120,150)은 유로 구조를 메인 채널과 다수의 브랜치 채널로 구성함으로써, 션트 저항을 증가시켜 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다.
즉 제2 실시예에서는 플로우 프레임(120,150)의 전해액의 유로를 한 개의 폭이 큰 메인 채널과, 5개의 폭이 작은 분지된 브랜치 채널로 유로를 설계함으로써, 메인 채널에서의 채널 수의 감소와 브랜치 채널에서의 단면적 감소 효과로 인한 션트 저항의 증가로 인한 션트 전류가 감소될 수 있도록 한다.
뿐만 아니라 분지된 각각의 브랜치 채널의 폭과 길이를 일정하게 유지하여 각 브랜치 채널에서의 유속을 동일하게 설계하였다. 전해액이 흐르는 방향으로 전극의 일측면과 타측면에 미세주입유로(17)와 미세유출유로(19)를 두어 균일한 유속 분포(flow distribution)가 가능할 수 있게 설계하였다.
그리고 메인 채널에서 브랜치 채널들로 분지되는 지점을 원형 또는 타원형의 분지조를 설치함으로써, 브랜치 채널에서의 유속분포도를 균일하게 하였다.
제3 실시예
한편 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서는 플로우 프레임(20,50,120,150)에 있어서, 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)가 전극을 중심으로 선대칭 되게 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 6과 같이, 제3 실시예에 따른 플로우 프레임(220,250)은 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)가 전극을 중심으로 선대칭 되게 형성되되, 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임(220,250)을 보여주는 평면도이다.
도 6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임(220,250)은 제2 실시예에 따른 플로우 프레임(120,150)과 비교할 때, 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)가 서로 반대 방향으로 형성된 것을 제외하면 제2 실시예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임(120,150)과 동일한 구조를 갖는다. 즉 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)의 제1 및 제2 매니폴드(31,41)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 대각선 방향의 모서리 쪽에 형성된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 단위 셀
11 : 분리막
13 : 제1 전극
15 : 제2 전극
17 : 미세주입유로
19 : 미세유출유로
20 : 제1 플로우 프레임
21 : 프레임 몸체
23 : 주입 유로부
25 : 유출 유로부
27 : 제1 전극 삽입홀
31 : 제1 매니폴드
33 : 제1 메인 채널
35 : 제1 분지조
36 : 제1 채널
37 : 제1 브랜치 채널
41 : 제2 매니폴드
43 : 제2 메인 채널
45 : 제2 분지조
46 : 제2 채널
47 : 제2 브랜치 채널
50 : 제2 플로우 프레임
57 : 제2 전극 삽입홀
61 : 제1 바이폴라 플레이트
69 : 제2 바이폴라 플레이트
71 : 제1 집전체
79 : 제2 집전체
81 : 제1 셀프레임
89 : 제2 셀프레임
91 : 제1 전해액 탱크
92 : 제1 펌프
93 : 제1 유입관
94 : 제1 유출관
96 : 제2 전해액 탱크
97 : 제2 펌프
98 : 제2 유입관
99 : 제2 유출관
100, 200 : 레독스 플로우 이차전지

Claims (8)

  1. 중심 부분에 전극이 설치되는 전극 삽입홀이 형성된 프레임 몸체;
    상기 전극 삽입홀을 중심으로 일측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로 전해액을 주입하는 주입 유로부;
    상기 전극 삽입홀을 중심으로 상기 일측에 마주보는 타측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로부터 상기 전해액을 유출하는 유출 유로부;를 포함하고,
    상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부는 각각,
    상기 프레임 몸체를 관통하여 형성된 매니폴드;
    상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 매니폴드에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는 복수의 채널;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 채널은,
    상기 매니폴드를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극 삽입홀은 직사각관 형태를 가지며,
    상기 매니폴드는 상기 전극 삽입홀의 일측 모서리 쪽에 형성되고,
    상기 복수의 채널은 상기 전극 삽입홀의 일측면에 수평한 수평 채널부와, 상기 수평 채널부와 상기 전극 삽입홀의 일측면을 수직 방향으로 연결하는 수직 채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
  4. 제2항에 있어서, 상기 복수의 채널은,
    상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 매니폴드와 일단이 연결되며 상기 매니폴드 보다는 작은 내경을 갖는 메인 채널;
    상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 메인 채널의 타단에 연결되며 상기 메인 채널의 내경보다는 큰 내부 공간을 갖는 분지조;
    상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 분지조에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 상기 메인 채널 보다는 작은 내경을 갖는 복수의 브랜치 채널;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 브랜치 채널은,
    상기 분지조를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 분지조는 단면이 원형 또는 타원형의 형태를 가지고, 내경이 상기 메인 채널의 내경의 10배 이하인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부의 매니폴드는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 및 대각선 쪽의 모서리 중에 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
  8. 분리막, 상기 분리막을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 제2 전극에 각각 결합되어 상기 제1 및 제2 전극으로 전해액을 흘려주는 제1 및 제2 플로우 프레임을 구비하며 스택되는 복수의 단위 셀;
    상기 복수의 단위 셀 사이에 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀의 양쪽에 스택되는 복수의 바이폴라 플레이트;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 플로우 프레임은 각각,
    중심 부분에 전극이 설치되는 전극 삽입홀이 형성된 프레임 몸체;
    상기 전극 삽입홀을 중심으로 일측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로 전해액을 주입하는 주입 유로부;
    상기 전극 삽입홀을 중심으로 상기 일측에 마주보는 타측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로부터 상기 전해액을 유출하는 유출 유로부;를 포함하고,
    상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부는 각각,
    상기 프레임 몸체를 관통하여 형성된 매니폴드;
    상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 매니폴드에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는 복수의 채널;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지.
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