KR20170113120A

KR20170113120A - 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지

Info

Publication number: KR20170113120A
Application number: KR1020170032353A
Authority: KR
Inventors: 변수진; 노태근; 이정배
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2017-10-12
Also published as: KR102169179B1; CN108292772B; US10673078B2; CN108292772A; US20180331373A1

Abstract

본 발명은 섬유형 도전재가 유로 내 삽입된 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
상기 섬유형 도전재로 인해 유로 내 전해액의 체류 시간을 연장하여 전극층과의 반응 기회를 높임으로써 전해액의 유량에 관계 없이 우수한 에너지 효율을 가지면서도, 충/방전 용량과 효율이 향상된 레독스 흐름 전지의 구현이 가능하다.

Description

바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지{Bipolar plate and redox flow cell battery comprising the same}

본 발명은 고유량 및 고전류 밀도를 갖는 전지에 적합한 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

레독스 흐름 전지는 기존 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화 환원되어 충방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 이러한 전지는 대용량 전력 저장용으로 용이하고, 높은 에너지 밀도와 효율을 가지며 수명이 길고 안전하다는 이점이 있다. 또한, 상기 전지는 잦은 교체가 필요 없어 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동하며 특히 용량과 출력을 다양하게 설계할 수 있는 이점이 있어, 차세대 대용량 저장 장치로서 각광받고 있다.

레독스 흐름 전지의 기본 구조는 바이폴라 플레이트/전극/이온 교환막/전극/바이폴라 플레이트의 구조를 포함하는 스택과 함께 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 전해액 탱크와, 이를 순환시키기 위한 펌프를 구비한다.

실제 전기화학적 반응은 스택(stack)에서 일어나며, 전해액을 펌프를 이용하여 스택 내부에 지속적으로 순환시킴으로써 작동한다. 상기 전해액 내 활물질로 사용되는 레독스쌍으로는 V/V, Zn/Br, Fe/Cr, Zn/air 등이 있는데 이 중 V/V, Zn/Br 레독스쌍이 가장 널리 사용되고 있다.

전기화학적 반응은 스택 내 바이폴라 플레이트를 따라 흐르는 전해액과 전극 간의 상호 작용에 따라 결정된다.

도 1은 종래 기술에 따른 바이폴라 플레이트와 전극 간의 접촉을 보여주는 단면도로서, 위에서부터 바이폴라 플레이트(11)/전극(12)/이온 교환막(13)/전극(14)/바이폴라 플레이트(15)가 적층된 구조를 갖는다. 이러한 구조는 바이폴라 플레이트(11, 15)에 직접적으로 전해액을 흘리는 방식으로서, 구조가 간단하다는 이점이 있다. 그러나 고출력 조건으로 충/방전하거나 전지의 크기를 증가시킬 때 전해액이 고유량으로 수반됨에 따라 전해액 유입구와 배출구 간 높은 차압이 생겨나게 되고 이에 따라 막대한 에너지 손실이 발생하는 문제가 발생한다.

상기 문제를 해결하기 위한 시도로서 바이폴라 플레이트 내부에 전해액이 흐를 수 있는 유로를 형성한 구조가 제시되었다.

미국특허공개 제2012-0244395호에서는 맞물림형(interdigitated type, 또는 깍지형) 유로가 형성된 바이폴라 플레이트의 구성을 제시하였다.

도 2 미국특허공개 제2012-0244395호에서 제시한 바이폴라 플레이트와 전극 간의 접촉을 보여주는 단면도로서, 위에서부터 바이폴라 플레이트(21)/전극(22)/이온 교환막(23)/전극(24)/바이폴라 플레이트(25)가 적층된 구조를 가지며, 상기 바이폴라 플레이트(21, 25) 각각에 유로(27, 29)가 형성된 구조를 갖는다. 이러한 구조의 바이폴라 플레이트를 사용하는 경우 전지 모듈에 인가하는 유입구와 배출구 간의 차압을 어느 정도 저감시켰다.

그러나 도 2를 보면, 도 1 대비 유로로 인해 전극과 전해액과의 접촉 면적이 줄어드는 문제가 발생하였다. 이로 인해 전기 발생을 위한 전기화학 반응이 충분히 일어나지 못하게 되고, 그에 따라 전지의 충/방전 용량 및 속도가 저감되는 문제가 발생한다.

더욱이, 내부 차압을 감소시키기 위한 유로 구조를 가지고 있다 하더라도 전해액의 유량을 모든 범위에서 안정적으로 제어하는 것에는 일정 부분 한계가 존재하였으며 전해액이 유로 내 머무르는 시간이 짧아 충분한 반응 시간을 확보하지 못하는 문제 또한 발생하였다.

따라서 유로를 통하여 전해액이 통과할 때 유량에 관계없이 에너지 손실을 최소화할 수 있으면서도, 충분한 반응 시간을 확보하고 충/방전 용량 및 효율을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지에 대한 수요가 증대하고 있다.

미국특허공개 제2012-0244395호(2012.09.27), FLOW BATTERY WITH INTERDIGITATED FLOW FIELD　

본 발명자들은 바이폴라 플레이트의 유로를 흐르는 전해액의 체류 시간을 연장하여 전해액과 전극 간의 접촉을 높여 전기화학 반응 기회를 증가시키면서, 상기 바이폴라 플레이트 내 전해액의 유입구와 배출구 간의 차압을 낮출 수 있도록 상기 유로 내 섬유형 도전재를 삽입한 새로운 구조의 바이폴라 플레이트를 설계하였고, 이를 레독스 흐름 전지에 적용한 결과 충방전 용량과 에너지 효율이 증가하면서도 단위 면적당 걸리는 저항 값이 낮아짐을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 새로운 구조를 갖는 바이폴라 플레이트를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 바이폴라 플레이트를 구비한 레독스 흐름 전지용 단위셀을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 단위셀을 복수개로 구비하여 고유량 및 고전류 밀도를 타겟으로 하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 판 형태의 바디; 및 상기 바디의 중앙부에 전해액이 이동할 수 있도록 형성된 유로를 포함하는 바이폴라 플레이트에 있어서,

상기 유로 내부에 섬유형 도전재가 삽입된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트를 제공한다.

이때 상기 패러렐(parallel), 서펜틴(serpentine), 세미서펜틴(semi-serpentine), 지그재그(zigzag), 맞물림형(interdigitated) 및 핀(pin) 형태의 패턴을 1종 이상 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 섬유형 도전재는 카본 펠트, 그라파이트 펠트, 카본천, 카본 페이퍼, 금속천, 금속 펠트 및 발포금속으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 직물 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 이온 교환막; 상기 이온 교환막의 양측에 각각 배치된 전극층; 및 상기 전극층의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트를 포함하고, 상기 바이폴라 플레이트는 전술한 바의 바이폴라 플레이트인 레독스 흐름 전지용 단위셀을 제공한다.

또한, 본 발명은 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈; 상기 전지 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하기 위한 전해액 탱크; 및 상기 모듈과 전해액 탱크 간 전해액을 순환시키기 위한 전해액 펌프를 포함하며, 상기 단위 스택은 상기 레독스 흐름 전지용 단위셀이 복수개로 연결된 레독스 흐름 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 유로 내 섬유형 도전재가 삽입된 바이폴라 플레이트를 구비함으로써 전해액 유로 내 체류 시간을 연장하여, 전극과 전해액 간의 전기화학 반응 기회를 높임으로써 상기 레독스 흐름 전지의 충방전 용량과 에너지 효율이 증가하면서도 과전압을 낮춰 단위 면적당 걸리는 저항 값을 낮춘다.

이러한 전지는 고유량 및 고전류 밀도를 타겟으로 하는 레독스 흐름 전지로서 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 바이폴라 플레이트와 전극 간의 접촉을 보여주는 단면도이다.
도 2 미국특허공개 제2012-0244395호에서 제시한 바이폴라 플레이트와 전극 간의 접촉을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 구조를 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 단위 스택을 보여주는 입체 사시도다.
도 5는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트를 보여주는 정면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 유로 내부에 섬유형 도전재를 삽입함을 보여주는 입체 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 유로의 다양한 형태를 보여주는 모식도이다.
도 8은 실시예 1에서 제작된 바이폴라 플레이트의 사진이다.
도 9는 비교예 1에서 제작된 바이폴라 플레이트의 사진이다.
도 10은 실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 전지의 충방전 용량을 보여주는 그래프이다.
도 11은 실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 전지의 에너지 효율을 보여주는 그래프이다.

본 발명은 에너지 효율이 우수하고 충/방전 용량이 큰 레독스 흐름 전지를 제시한다.

이하 도면을 이용하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 흐름 전지를 보여주는 모식도이고, 도 4는 단위 스택을 보여주는 입체 사시도다.

도 3을 참조하면, 레독스 흐름 전지(1000)는 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈(101,102, 103, 104)을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈(100); 상기 전지 모듈(100)에 전해액을 공급하고 상기 전지 모듈(100)에서 유출되는 전해액을 저장하기 위한 전해액 탱크(202,204); 상기 전지 모듈(100)과 전해액 탱크(202,204) 간 전해액을 순환시키기 위한 전해액 펌프(302,304)를 포함한다.

이때 단위 스택은 단위셀(130)을 복수로 적층하여 형성된다. 편의상, 도 4에서는 하나의 단위셀(130)을 적층하여 형성된 단위 스택을 예시한다.

도 4를 참조하면, 단위셀(130)은 중앙에 이온 교환막 플레이트(123)이 배치되고, 이의 양측에 좌우 대칭 구조로 전극 플레이트(120,121) 및 바이폴라 플레이트(118,119)가 각각 대칭하여 배치된다.

상기 단위셀(130)은 1개 또는 그 이상의 복수 개로 적층된 구조를 가지며, 상기 바이폴라 플레이트(118,119)와 접하도록 집전 플레이트(115,117) 및 엔드 플레이트(111,113)가 적층된다.

상기 각각의 구성은 각각의 일측을 천공한 후 관통홀을 통해 연결부재(예, 볼트/너트)를 이용하여 서로 접합하여 단위셀(130)을 구비하고, 이 단위셀(130)을 복수 개 배치한 후 전기적 연결을 통해 단위 스택을 형성한다.

상기 이온 교환막 플레이트(123), 전극 플레이트(120,121), 바이폴라 플레이트(118,119), 집전 플레이트(115,117) 및 엔드 플레이트(111,113) 사이에는 전해액의 흐름이나 결합을 위해 스페이서(미도시)를 각각 개재할 수 있으며, 일례로 이온 교환막 플레이트(123)과 전극 플레이트(120,121) 사이에 배치하는 것이 바람직하다.

복수 개의 단위셀(130)이 도 3과 같이 직렬로 연결되거나 병렬로 연결된 구조를 가지며, 전해액의 순환으로 전류를 발생시키도록 구성한다. 단위 스택은 버스바(미도시)를 통해 이웃하는 다른 단위 스택과 전기적으로 연결된다. 단위 모듈(101,102,103,104) 및 전지 모듈(100)은 단위 스택들의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나 외부 전원에 연결된다.

상기 단위셀(130)의 구조를 보면, 이온 교환막 플레이트(123)는 판 형태의 바디와 이의 중앙에 이온 교환막이 장착된 구조를 갖는다. 또한, 전극 플레이트(120,121)는 판 형태의 바디와 이의 중앙에 전극층이 장착된 구조를 갖는다. 그리고, 바이폴라 플레이트(118,119)는 판 형태의 바디와 이의 중앙에 유로가 장착된 구조를 갖는다.

본 발명에서는 단위셀을 구성하는 바이폴라 플레이트(118,119)의 구성을 변경하여 레독스 흐름 전지(1000)의 전지 특성을 향상시킨다.

전극 플레이트(120,121)와 접하는 바이폴라 플레이트(118,119)는 전기화학적 반응을 위해 전해액 탱크(202,204)로부터 전해액을 공급받고, 이를 전극 플레이트(120,121)로 균일한 압력과 양으로 공급한다

도 5는 바이폴라 플레이트를 보여주는 정면도이다.

구체적으로, 바이폴라 플레이트(118,119)는 판 형태의 바디(152)와, 전극층과 전해액이 접촉하는 영역인 전해액 반응부(R) 내 전해액이 이동할 수 있도록 형성된 유로(F)를 포함한다.

바이폴라 플레이트(118,119)의 바디(152)는 전도성 또는 비전도성 재질이 사용될 수 있으며 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다. 전도성 재질의 경우 금속, 그라파이트 등의 카본재, 또는 전도성 고분자 등으로 바디 표면을 코팅할 수 있으며, 비전도성 재질의 경우 ETFE(ethylene-tetrafluoroethylene), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxy), FEP(fluorinated ethyleneepropylene polymer), ECTFE(Ethylene ChloroTriFluoroEthylene), PVDF(Polyvinylidene fluoride) 등의 불소 수지를 코팅하여 사용할 수 있다.

바이폴라 플레이트(118,119)는 바디(152)의 일측 상부에 전극 플레이트(120,121)에 전해액을 공급할 수 있도록 전해액을 유입하기 위한 유입구(161), 일측 하부에 전해액을 배출할 수 있는 배출구(162), 전극 플레이트(120,121)와 접촉하는 전해액 반응부(R), 상기 배출구(161)와 전해액 반응부(R) 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 공급 유로(171), 및 상기 배출구(162)와 전해액 반응부(R) 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 배출 유로(172)를 포함한다.

바디(162)의 말단 일측에는 연결 부재(181,182,183,184)가 배치되어 전극 플레이트와 물리적으로 접합된다.

또한, 상기 공급유로(171) 및 배출유로(172)는 전해액 유량을 균등하게 분배하여 공급 또는 배출시킬 수 있도록 다양한 형태를 가지며, 일례로 다수개의 분지를 갖는 분배 유로 형태를 구비할 수 있다.

레독스　흐름 전지(1000)에서 전해액의　흐름은 굉장히 중요하다. 전해액 펌프(302,304)를 통해 이동된 전해액은　유로(F)를 갖는 바이폴라 플레이트(118,119)로 이동하게 되고, 이어서 산화 환원을 일으키는 전극층을 갖는 전극 플레이트(120,121)와 접촉한다. 이때 전해액의 유량 특성이 균일하지 못할 경우 전극층에서 속도 차이가 나게 되거나, 반응을 하지 못하는 부분에 의한 과전압이 발생하게 된다. 과전압이 발생하게 되면 스택 내부의 온도가 상승하게 되고 전해액으로 바나듐 계열을 사용할 경우 석출이 발생하여　유로를 막는다. 고체 상태로 석출된 V₂O₅ (Vanadium oxide)에 의해 전해액의 이동 통로인 유로를 막거나, 전해액과의 반응 사이트를 감소시켜　전지　효율이 저하된다. 뿐만 아니라, 석출에 의한 막힘 현상은 내부 압력을 증가시켜 직렬로 연결된 단위 스택의 가스켓 부분을 팽창시킴으로써 누수가 발생된다. 결국 위와 같은 문제로 오작동 및 셧다운 현상이 발생하여 전체적인 시스템에 문제를 일으킬 수 있다.

따라서 레독스　흐름 전지(1000)는 전해액의 유량 특성에 의해 단위 스택의 성능 및 수명이 좌우된다는 점을 알 수 있으며, 이러한 유량 특성을 개선하기 위해 전지의 단위 스택 외부에 부가적인 장치를 이용하는 방법이 사용되었으나, 그에 따른 주변 기자재 및 부피 증가에 따라 설치가 용이하지 못한 단점이 있었다.

본 발명에서는 바이폴라 플레이트(118,119)에 있는 유로 내부에 섬유형 도전재(151)를 삽입한다.

도 5의 (a) 및 (b)는 바이폴라 플레이트(118,119)의 바디(151) 상에 격벽(154)을 배치하여 유로(F)를 형성하고, 이 유로(F) 내부에 섬유형 도전재(151)를 삽입한 것을 보여주는 입체 사시도이다.

도 5(b)와 같이 섬유형 도전재(151)를 삽입함으로써 유로(F) 내부를 통과하는 전해액의 체류 시간을 높여 전극 반응 시간을 충분히 확보하여 레독스 흐름 전지(1000)는 충/방전 용량을 증가시킬 뿐만 아니라 바이폴라 플레이트(118,119)에 유입구/배출구에서의 전해액의 차압을 획기적으로 저감시킬 수 있다.

섬유형 도전재(151)는 공급 유로(171) 또는 배출 유로(172)에 설치할 경우 전해액의 유체 흐름에 영향을 주어, 유입구(161) 및 배출구(162) 사이의 차압을 증가시킬 수 있으므로, 전극 플레이트와 접하는 전해액 반응부(R) 내에 설치한다.

섬유형 도전재(151, 또는 도전성 섬유)란 3차원 다공성 네트워크 구조를 형성하는 복수의 섬유 구조체를 의미한다. 유로(F) 내 삽입되는 섬유형 도전재(151)의 재질은 어느 정도의 기공도를 가지고, 전도성이 있는 재질이면 어느 것이든 가능하다. 바람직하기로, 전해액의 흐름을 막지 않으면서도 상기 전해액과 전극 플레이트(120,121)의 전극층과의 반응을 높이기 위해 상기 전극 플레이트(120,121)의 전극층에서 사용하는 동일 또는 유사한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하기로, 본 발명의 섬유형 도전재(151)란 탄소 재질 또는 금속 재질의 섬유가 집합체를 이루어 판상 형태로 적층된 구조를 가지는 것을 의미한다.

상기 섬유형 도전재(151)는 카본 펠트, 그라파이트 펠트, 카본천, 카본 페이퍼, 금속천, 금속 펠트 및 발포금속으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 직물 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 '카본 펠트 또는 그라파이트 펠트'는 탄소 또는 그라파이트 재질을 방사 공정을 통해 제작된 섬유가 판상 형태로 불규칙적인 집합체(매트 형태)를 형성한 것을 의미한다.

상기 '카본천'은 방사 등의 공정을 통해 제작된 탄소 섬유가 직조를 통해 3차원적으로 규칙적인 집합체를 형성한 것을 의미한다.

상기 '카본 페이퍼'는 탄소 재질의 섬유가 응집하여 종이 형태의 집합체를 형성한 것을 의미한다.

상기 '금속천'은 방사 등의 공정을 통해 제작된 금속 섬유가 직조를 통해 3차원적으로 규칙적인 집합체를 형성한 것을 의미한다.

상기 '발포금속'은 금속 재질이 발포 공정을 통해 내부에 많은 공기방울 격자를 갖는 3차원적 구조체를 의미한다.

상기 금속천 및 발포금속은 일례로 Na, Al, Mg, Li, Ti, Zr, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ru, Pd, Rd, Pt, Ag, Au, W, Ni 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하여 사용할 수 있다.

섬유형 도전재(151)는 섬유가 규칙적 또는 펠트의 경우 불규칙적으로 결합하여 이루어지는 삼차원 그물눈 구조를 가짐으로써 강성이 높고, 변형이 쉽게 이루어지지 않으면서도 다수의 기공을 가져 전해액의 이동이 원활이 이루어질 수 있다. 상기 섬유형 도전재(151)는 구조체 내에 마이크로 기공, 메조 기공, 매크로 기공 등이 복합적으로 존재하며, 이러한 기공의 조절은 제조 방법에 따라 달라질 수 있다.

카본 블랙과 같은 전도성 입자의 경우 유로(F) 내 고정이 어렵고, 고정 하더라도 전지의 작동 중 이동이 쉽게 발생하여 전해액의 유속 조절이 어려운 문제가 발생한다. 또한, 금속 메쉬의 경우 전해액의 흐름 시 난류를 발생할 우려가 있고, 이로 인해 전지 내 차압이 커지는 문제가 발생한다. 따라서, 섬유형 도전재(151)의 사용이 가장 바람직하다 할 수 있다.

섬유형 도전재(151)는 전해액의 흐름성을 방해하지 않도록 하기 위해, 물성에 대한 파라미터의 제어가 필요하다. 전해액의 흐름성과 관련된 파라미터로는 다양한 인자가 고려될 수 있으나, 우선적으로 섬유형 도전재(151)의 기공도와 이와 관련된 벌크 밀도를 들 수 있다.

기공도가 너무 낮거나 높을 경우 섬유형 도전재(151)의 충진에 의해 전해액의 흐름이 지체되어 전해액의 유입구(161) 및 배출구(162)에서 측정되는 차압을 높아져, 과전압에 의해 전지에 부하가 걸려 전지 성능의 저하를 야기한다. 상기 기공도(또는 공극률)는 직물 밀도과 관련된 파라미터로서, 벌크 밀도(bulk density)가 너무 높을 경우 전해액의 유체 흐름을 방지하여 전지 내 차압을 높일 수 있고, 반대로 직물 밀도가 너무 낮을 경우에는 유로(F) 내부에서의 전해액의 체류 시간을 충분히 높일 수 없다.

바람직하기로, 섬유형 도전재(151)의 기공도는 10 내지 99%, 바람직하기로 50 내지 95%인 것이 바람직하고, 벌크 밀도는 3mm 두께를 기준으로 0.05 내지 0.2 g/cm³, 바람직하기로 0.1 내지 0.15 g/cm³인 것을 사용한다.

이때 섬유형 도전재(151)를 구성하는 각 섬유의 직경은 0.5 내지 50㎛, 바람직하기로 0.1 내지 30㎛을 가질 수 있으며, 상기 섬유형 도전재(151)의 평균 직경은 0.01 내지 900㎛, 바람직하기로 0.05 내지 500㎛의 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 섬유형 도전재(151)의 재질은 탄소 재질, 금속 재질 또는 이들의 조합을 포함하는 재질이 사용될 수 있으며, 바람직하기로 카본 펠트를 사용한다. 상기 카본 펠트 및 그라파이트 펠트는 내화학성, 넓은 전압 범위에서의 안정성, 고강도의 특성을 갖는다. 상기 금속천 또는 발포금속은 높은 도전성으로 인해 전기화학 반응 속도를 높일 수 있다.

이러한 섬유형 도전재(151)는 직접 제조하거나 바이폴라 플레이트(118,119)의 유로(F)에 적합하도록 시판되는 것을 주문 제작하여 사용이 가능하다.

일례로, 카본 펠트는 카본섬유 전구체 펠트를 탄화하여 제조할 수 있다. 카본섬유 전구체 펠트는 레이온 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 등으로 제조할 수 있으며, 탄화 및 흑연화는 질소 분위기나 진공 분위기에서 실시한다. 카본섬유 전구체 펠트는 탄화 및 흑연화 공정에 의하여 카본을 제외한 나머지 원소들이 분해되어서 제거되고, 카본만이 남아 카본 펠트를 제작한다.

본 발명의 섬유형 도전재(151)는 펠트 재질에 전도성을 높이거나 산화환원 반응을 촉진시키기 위해 상기 섬유형 도전재(151)에 대해 표면 처리를 수행하거나 추가 물질을 더욱 첨가할 수 있다.

카본 펠트는 표면이 소수성을 띠기 때문에 전해질 용액과 전극이 용이하게 반응할 수 있도록 표면 고분자 제거와 산소 관능기 도입 및 친수성 향상이 매우 중요하다 할 수 있다. 카본재료는 다른 음이온이 도입되었을 때 전기화학적 성능이 달라지며 특히, 질소 원소의 경우 산화/환원 반응 등의 전기화학적 특성을 증가시킨다.

일례로, 표면 처리는 전해액과의 친화성을 향상시키기 위한 표면에 관능기가 생성되도록 약 300 내지 450℃에서 1 내지 15시간 정도의 열처리를 수행하거나 오존 또는 공기 분위기하에서 수행되며, 140 내지 600℃의 온도에서 4 분 내지 7 시간 동안 열처리하여 표면에 카르복실기, 카르보닐기, 또는 하이드록실기와 같은 산소 작용기를 도입하거나, 비활성 기체 분위기하에서 질소 전구체를 투입하고 800 내지 1000℃의 온도로 10 내지 60 분 동안 열처리하여 표면에 질소 작용기를 도입하여 사용할 수 있다.

또한, 추가 물질의 첨가는 카본계 도전재 및/또는 금속 입자로 이루어질 수 있다.

상기 카본계 도전재는 카본 페이퍼, 카본 파이버, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 카본, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn), 및 카본 나노 링(carbon nano ring)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 가능하다.

금속 입자는 Na, Al, Mg, Li, Ti, Zr, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ru, Pd, Rd, Pt, Ag, Au, W, Ni 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하다. 이들은 전기화학 반응의 촉매 효과를 위해 수 나노에서 수백 마이크론 입자 크기의 것을 사용할 수 있으며, 바람직하기로 나노 수준의 입자 크기를 갖는 것을 사용한다.

상기 추가 물질은 전해액의 흐름을 방지하지 않는 수준에서 사용하며, 섬유형 도전재(151) 내 10 중량% 이하의 함량으로 사용할 수 있다.

이러한 표면 처리 또는 추가 물질은 각각 또는 혼합하여 사용이 가능하며, 이로 인해 산화환원 반응이 보다 원활해지고 산화환원에 의한 전자 전달 속도 및 산화환원의 가역성도 증가하게 되어, 결과적으로 레독스 흐름 전지(1000)의 성능을 향상시킨다.

유로(F)는 격벽(154)을 통해 형성되며 이때 격벽(154)의 폭 및 두께는 바이폴라 플레이트(118,119)의 크기에 따라 적절히 조절할 수 있다. 도 5를 참조하여 보면, 격벽(154) 사이의 간격은 유로 채널 폭으로 정의되며, 격벽(154)의 두께는 유로 채널의 깊이로 정의한다.

상기 격벽(154)의 단면은 직사각형, 정사각형, 삼각형, 트렌치 구조, 반구형, 다각형 등 다양한 형태가 가능하며, 통상적으로 전해액의 흐름을 위해 직사각형 형태를 갖도록 한다.

일반적으로, 가로*세로 (5 내지 10 cm²)의 바이폴라 플레이트(118,119)를 제작할 경우 격벽(154)의 폭은 3.0 내지 8.0 mm, 두께는 1 내지 3.5 mm, 유로 채널 폭은 3.0 내지 8.0 mm, 유로 채널의 깊이는 1 내지 3.5 mm가 된다.

이때 섬유형 도전재(151)의 충진은 유로 부피(유로 채널 폭*유로 채널 깊이*격벽의 길이)에 대해 10 내지 100%, 바람직하기로 50 내지 95%의 부피로 충진될 수 있다.

또한, 충진 두께로 조절할 경우 섬유형 도전재(151)의 두께(Y) 대비 유로 채널의 깊이(X) 가 1< Y/X ≤2.5, 바람직하게는 1< Y/X ≤1.5 식을 만족하도록 상기 섬유형 도전재(151)를 삽입 배치한 다음, 소정의 압력을 인가하여 유로(F) 내부에 섬유형 도전재(151)를 고정한다. 이때 압력 인가 후 최종적으로 고정된 섬유형 도전재(151)는 그 두께(Y)가 최대 유로 채널 깊이(X)와 동등하여 수평을 유지하거나 이보다 약간 높거나 낮게 형성하고(0.8≤Y/X≤1.2), 전해액 흐름을 고려하여 0.8≤Y/X≤1.0 식을 만족하도록 형성될 수 있도록 한다.

이때 유로(F) 내 전지의 흐름성을 높이기 위해 유로(F) 간 간격과 유로(F) 내부 폭의 조절이 필요하다.

전해액 반응부(R)의 수평 방향의 폭을 W1라 하고, 유로 채널의 수평 방향의 폭을 W2라 할 때 W1:W2는 1:10~10:1의 비를 갖는다. 좀더 자세히 설명하면, 유로의 개수가 동일할 때, 유로(F) 간 간격이 지나치게 조밀하면서 유로 채널 폭(W2)은 넓을 경우에는 유로가 없는 바이폴라 플레이트(118,119)와 효과 차이가 거의 없어서 유량에 따라 발생하는 내부 차압을 조절하기 어렵고, 반대로 폭(W1)이 지나치게 넓으면서 유로 채널 폭(W2)은 좁은 경우에는 유로(F) 내로 충분한 양의 전해액이 흐르기 어려워 전지의 효율이 떨어진다.

상기 충진 부피 및 충진 두께를 조절하지 않을 경우 전해액의 유체 흐름에 영향을 주게 되고, 차압이 발생하거나 단위 면적당 걸리는 저항 값이 높아져 충방전 전류밀도가 낮아질 수 있으므로, 상기 파라미터를 고려하여 섬유형 도전재(151)의 충진 정도를 조절하여 바이폴라 플레이트(118,119)를 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 바이폴라 플레이트(118,119)의 유로(F)는 도 6에 도시한 바를 포함하여 다양한 유로 형태를 구성할 수 있다.

유로(F)의 형태는 유체 흐름과 관련된 기술 분야에서 알려진 다양한 형태가 사용될 수 있으며, 그 예로서 도 7에 나타낸 바와 같이 다양한 형태가 가능하다.

도 7을 참조하면, 유로(F)는 (a) 패러렐(parallel), (b) 서펜틴(serpentine), (c)~(d) 세미서펜틴(semi-serpentine), (e) 맞물림형(interdigitated), (f) 지그재그(zigzag), (h)~(i) 핀(pin) 등의 다양한 형태가 가능하고, 이때 유로의 시작과 끝은 개방(open) 또는 폐쇄(closed) 형태를 갖는다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 바이폴라 플레이트(118,119)의 유로(F)는 맞물림형(interdigitated, 또는 깍지형)의 형태를 가질 수 있다.

맞물림형 유로 구조란 서로 맞물려 있는 형태의 유로(F)들이 연속 배치되고, 각 유로(F)들은 일면이 폐쇄되어 있는 구조로서, 번 갈아서 유로(F)의 입구 또는 출구가 개방되는 형태를 의미한다. 상기 맞물림형 유로 구조의 경우 전해액이 유로를 따라 흐르는 것뿐만 아니라 유로(F)를 타고 흘러 전극 반응의 기회를 더욱 높여 레독스 흐름 전지(1000)의 충/방전 용량을 높일 수 있다.

그러나 이러한 맞물림형 유로 구조에서는 유로(F) 내부로 흐르는 전해액의 일부 만이 전극층(32a, 32b)과 반응하므로 전해액의 단위 량 대비 최대의 반응 효율을 이끌어내는 것에는 한계가 있다. 특히, 전지의 고출력 또는 고밀도 등의 이유로 전해액을 높은 유량으로 제공하는 경우에도 전해액의 유로(F) 내 체류 시간을 충분히 확보하기 어렵다.

본 발명에서 제시하는 바와 같이 유로(F) 내부에 섬유형 도전재(151)를 충진할 경우 전해액이 유로에 따라 흐르는 것이 아니라 상기 유로 내 삽입된 섬유형 도전재(151)와 접촉하고 바이폴라 플레이트(118,119)와 접한 전극층을 통하여 하나의 유로(F)를 넘어서 인접한 다음 유로(F)로 이송된다. 즉, 전해액이 단순히 흐르는 것이 아니라 유로(F) 내에 머무르며 섬유형 도전재(151)와 충분히 반응함과 동시에, 바이폴라 플레이트(118,119)와 접하는 전극층과도 충분히 접촉하여 반응하면서, 천천히 하나의 유로(F)에서 인접하는 다른 유로(F)로 타고 넘어서는 과정을 여러 번 거쳐 이송된다.

이러한 구조에서는 유로(F) 내부에 삽입된 상기 섬유형 도전재(151)로 인해 동일한 양의 전해액으로도 효율적인 전극 반응을 일으킬 수 있고 전해액의 이송 속도(흐름성)를 조절할 수 있다. 이는 전해액이 유로(F)를 통과하지 않고 상기 섬유형 도전재(151)에 일단 접촉하여 일정 시간 동안 머무르면서 다 방향으로 확산되고, 전해액의 체류 시간이 길어지고 반응 표면적이 넓어져 전극 반응의 기회가 증가하게 되기 때문이다.

또한, 반응 면적의 증가는 전해액 반응에 걸리는 과전압 감소로 이어져, 전지의 효율을 상승시키는 효과를 일으킨다. 이러한 구조에서는, 전해액이 빠른 유속으로 이송되는 흐름 전지의 경우 바이폴라 플레이트(118,119)의 전해액 유입구/배출구에서 발생하는 압력 차이도 줄일 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 일 구현예에 의해 내부에 섬유형 도전재(151)가 삽입된 맞물림형 유로 구조를 갖는 바이폴라 플레이트(118,119)를 채용할 경우 전해액의 유체 흐름에 의해 전기화학 반응의 면적이 증가하여 단위 면적당 걸리는 저항 값을 낮출 수 있다. 이로 인해 대용량의 전지를 구현하더라도 높은 충방전 용량 및 전류 효율과 함께 보다 향상된 에너지 효율을 갖는 전지의 구현이 가능하다.

전술한 바의 구성을 갖는 바이폴라 플레이트(118,119)는 전극 플레이트(120,121) 및 이온 교환막 플레이트(123)와 접합되어 단위셀을 구성한다.

이온 교환막 플레이트(123)는 판 형태의 바디와 함께 이의 중앙부에 이온 교환막이 삽입되고, 전극 플레이트(120,121)는 판 형태의 바디와 함께 이의 중앙부에 전극층이 삽입된 구조를 갖는다.

이온 교환막 플레이트(123)의 이온 교환막은 이온 투과막 또는 세퍼레이터라 하며, 전해액 내 이온을 통과시키도록 구성되며, 상기 전해액을 통해 양측에 위치한 전극 플레이트(120,121)의 전극층의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생한다. 이때 이온 교환막의 재질, 두께 및 각 구성 요소는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지의 것이 사용될 수 있다.

또한, 이온 교환막 플레이트(123)와 바이폴라 플레이트(118,119) 사이에 위치하는 전극 플레이트(120,121)는 전해액의 조성에 따라 전극 플레이트(120,121) 중 하나는 양극, 다른 하나는 음극으로서의 기능을 한다. 전극 플레이트(120,121) 는 바디 내부에 전기화학적 반응을 위한 전극층(또는 전극층)를 구비하고, 상기 전극층에는 공지한 바의 도전성을 갖는 재질이 사용된다. 일례로, 상기 전극층은 카본 펠트, 그라파이트 펠트, 카본천, 카본 페이퍼, 금속천, 금속 펠트 및 발포금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 도전성 재질이 가능하다.

전극층은 바이폴라 플레이트(118,119)에서 설명한 바의 섬유형 도전재(151)와 동일하거나 이와 유사한 것을 사용한다. 즉, 상기 섬유형 도전재(151)로서 언급한 바의 조성 및 물성(예, 기공도, 벌크 밀도)을 따른다.

바람직하기로, 전기화학 반응을 위해서 바이폴라 플레이트(118,119) 내부에 충진된 섬유형 도전재(151)와 전극층의 재질을 서로 동일한 것을 사용하며, 더욱 바람직하기로 양 측 모두 카본 펠트를 사용한다.

또한, 상기 섬유형 도전재(151)와 전극층은 동일 또는 유사한 기공도를 가질 수 있으며, 바람직하기로는 전극층의 기공도가 바이폴라 플레이트(118,119) 내 섬유형 도전재(151)의 기공도보다 크게 조절하여 사용할 수 있다. 이 경우 많은 공극을 가지는 섬유형 도전재(151) 내로 전해액이 충분히 스며들어 유로(F) 내에 머무르게 반응을 위한 최대한의 접촉 면적이 제공될 수 있고, 반응이 충분히 진행될 때까지 유로(F) 내 전해액을 포함하고 있을 수 있으며, 보다 섬세한 차압 조절 또한 가능해진다.

또한, 본 발명의 전극층은 필요한 경우 구배 형태를 갖는 것을 사용할 수 있다. 이러한 구배는 바이폴라 플레이트(118,119)의 유입구(161) 및 배출구(162)에서 필연적으로 발생하는 압력 구배에 의한 반응의 불균일성, 전류 밀도의 저하, 유로(F) 내 국부적 저항 증가 등을 해소할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 전해액의 유체 흐름을 고려하여 기공도가 구배를 갖거나 기공의 크기가 구배를 갖도록 형성한 재질을 사용하거나, 금속 입자 등의 추가 물질을 사용할 경우 농도 구배를 갖도록 코팅 또는 함침시켜 사용할 수 있다.

상기 구배는 바이폴라 플레이트(118,119)의 유입구(161) 및 배출구(162)의 수직 방향에 대해 동일 방향으로 이루어지거나 이와 직교 방향 또는 소정 각도를 이루는 방향으로 이루어질 수 있다. 바람직하기로는 유입구(161)에 대해 수직 방향으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 구배는 바이폴라 플레이트(118,119)의 유로(F)의 길이 방향에 대해 동일 방향으로 이루어지거나 이와 직교 방향 또는 소정 각도를 이루는 방향으로 이루어질 수 있다. 바람직하기로는 유로(F)의 길이 방향에 대해 동일 방향으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 바이폴라 플레이트(118,119)의 유입구(161) 및 배출구(162)와 접하는 측의 전극층의 기공도는 높이면서, 중앙부로 갈수록 낮은 기공도를 갖도록 하여 전해액의 체류 시간을 높일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 바이폴라 플레이트(118,119)의 유입구(161) 보다 배출구(162) 측이 단계적 또는 점진적으로 높은 기공도를 갖도록 설계하여 비교적 빠른 확산과 여러 방향의 전해액 이동을 가능하게 함으로써, 전해액이 과도하게 유로(F) 내 정체되지 않고 유동 균형을 이룰 수 있도록 한다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 바이폴라 플레이트(118,119)의 유입구(161) 및 배출구(162)와 접하는 측의 전극층에 존재하는 금속 촉매의 함량을 낮추면서, 중앙부로 갈수록 높여 전극층에서의 전기화학 반응을 더욱 촉진시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 바이폴라 플레이트(118,119)의 유입구(161) 보다 배출구(162)와 접하는 측의 전극층의 기공도를 높이면서 금속 촉매의 함량을 높여 전해액의 유속을 조절함과 동시에 전기화학 반응을 더욱 촉진시킬 수 있다.

상기 농도 구배와 함께, 본 발명의 전극층은 하나의 재질로 단층으로 구성하거나 서로 다른 재질을 조합하여 구성할 수 있다. 일례로, 전극층을 복수 개의 면적으로 분배한 다음, 각 면적에 해당하는 전극층의 재질을 달리 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 전극층은 단층으로 형성하거나 하나의 재질 또는 서로 다른 재질을 이용하여 2층 이상의 복수 층으로 형성할 수 있다. 상기 복수 층으로 형성할 경우 상기 언급한 바의 재질, 기공도 및 금속 촉매와 같은 추가 물질의 함량을 서로 같거나 달리하여 형성할 수 있다.

이러한 구성 및 재질의 선택은. 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 전지의 충/방전 필요 용량 및 사용 목적에 따라 달라질 수 있다.

또한, 본 발명의 전극층의 면적은 바이폴라 플레이트(118,119)의 전해액 반응부(A)의 면적과 같거나 다를 수 있으며, 전해액과 충분히 반응할 수 있도록 한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 레독스 흐름 전지 단위셀은, 바이폴라 플레이트(118,119)는 내부에 카본 펠트가 충진된 맞물림형 유로(F)를 가지며, 전극 플레이트의 전지 화학 반응부에는 카본 펠트 또는 카본 페이퍼를 사용한다.

이때 상기 바이폴라 플레이트(118,119) 내부에 충진된 카본 펠트와 전극 플레이트의 카본 펠트는 서로 동일한 재질을 사용하는 것이 바람직하고, 이때 각 카본 펠트는 서로 다른 공극률을 갖는 것을 선정할 수 있다.

더욱 바람직하기로, 전극 플레이트의 카본 펠트의 기공도가 바이폴라 플레이트(118,119) 내 카본 펠트의 기공도보다 크게 조절하여 사용할 수 있다. 이 경우 많은 공극을 갖는 섬유형 도전재(151) 내로 전해액이 충분히 스며들어 유로(F) 내에 머무르게 반응을 위한 최대한의 접촉 면적이 제공될 수 있고, 반응이 충분히 진행될 때까지 유로(F) 내 전해액을 포함하고 있을 수 있으며, 보다 섬세한 차압 조절 또한 가능해진다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 카본 펠트는 바이폴라 플레이트(118,119) 바디(152)의 수직 방향에 대해 상부에서부터 하부까지, 또는 좌측에서부터 우측까지의 기공도가 서로 다르도록 설정하여 충진할 수 있다. 즉, 상부 측이 하부 측보다 낮은 기공도를 갖도록 하고 이들 기공도는 수직 방향의 하부로 갈수록 기공도가 단계적으로 또는 점진적으로 높아지도록 설계하여 비교적 빠른 확산과 여러 방향의 전해액 이동을 가능하게 함으로써, 전해액이 과도하게 유로(F) 내 정체되지 않고 유동 균형을 이룰 수 있도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지(1000)를 구성하는 다른 요소, 구체적으로, 전지 모듈(100)을 구성하기 위한 여러 요소, 전해액　탱크(202,204), 및 전해액 펌프(302,304) 같은 구성요소는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 내용을 따른다.

전해액 탱크(202,204)에서 저장되는 전해액은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 전해액이 사용될 수 있다.

전해액은 활물질 및 용매를 포함하고, 이때 활물질은 전기화학적으로 안정하게 반응하는　레독스　커플 유기물을 포함하고,　용매는 수계 용매, 유기계 용매 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 전해액은 양극을 기능을 위한 양극 전해액 또는 음극의 기능을 위한 음극 전해액일 수 있으며, 이들은 산화환원쌍 구성을 포함한다. 즉, 상기 양극활물질의 경우, 양극 전해액에 용해시키는 산화환원쌍을 지칭하며, 산화환원쌍이 2개의 산화상태(oxidation state) 중 높은 쪽으로 변할 때, 즉, 산화가 일어날 때 충전이 되는 것을 의미한다. 상기 음극 활물질의 경우, 음극 전해액에 용해시키는 산화환원쌍을 지칭하며, 산화환원쌍의 2개의 산화상태 중 낮은 쪽으로, 즉 환원될 때 충전이 되는 것을 의미한다.

본 발명에서 사용되는 활물질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 활물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, V, Fe, Cr, Cu, Ti, Sn, Zn, Br 등을 들 수 있다. 이러한 활물질은 산화·환원 차이에 의한 조합에 의해 V/V, Zn/Br, Fe/Cr 등 다양한　레독스쌍을 얻을 수 있는데 본 발명에서는 V/V로 이루어진　레독스쌍을 사용한다. 이와 같이 양극과 음극에서 동일 종류의　레독스쌍을 사용하여 두 전극 사이에서의 혼합 현상에 의한 비가역적 오염을 극복할 수 있는 이점이 있으며, 예를 들어 양극 전해액은 V⁴⁺/V⁵⁺을 사용하고, 음극 전해액은 V²⁺/V3⁺을　레독스쌍으로 사용할 수 있다.

상기 수계 용매는 황산, 염산 또는 인산 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이고, 상기 유기계 용매는 아세토나이트릴, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸술폭사이드, 디메틸포름아미드, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, N-메틸-2-피롤리돈, 플루오로에틸렌카보네이트, 에탄올, 메탄올 및 감마-부티로락톤 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.

추가적으로, 상기 전해액은 지지 전해질을 더욱 포함할 수 있다.

지지 전해질은 알킬암모늄계 염, 리튬염 및 소듐염으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따른　레독스　플로우 전지용　전해액에 있어서, 상기 알킬암모늄계 염은, PF₆ ^-, BF₄ ^-, AsF₆ ^-, ClO₄ ^-, CF₃SO₃ ^-, CF₃SO₃ ^-, C(SO₂CF₃)₃, N(CF₃SO₂)₂　및 CH(CF₃SO₂)₂　중에서 선택되는 하나의 음이온과, 테트라알킬암모늄 양이온에서 알킬은 메틸, 에틸, 부틸 또는 프로필인 암모늄 양이온의 조합으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른　레독스　플로우 전지용　전해액에 있어서, 상기 리튬염은, LiPF₆, LiBF₄, LiAsF₆, LiClO₄, LiCF₃SO₃, LiCF₃SO₃, LiC(SO₂CF₃)₃, LiN(CF₃SO₂)₂　및 LiCH(CF₃SO₂)₂　중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 본 발명에 따른　레독스　플로우 전지용　전해액에 있어서, 상기 소듐염은, NaPF₆, NaBF₄, NaAsF₆, NaClO₄, NaCF₃SO₃, NaCF₃SO₃, NaC(SO₂CF₃)₃, NaN(CF₃SO₂)₂　및 NaCH(CF₃SO₂)₂　중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

전해액 펌프(302,304)는 본 발명에서 특별히 언급하지 않으며, 공지된 바의 것을 사용할 수 있다.

상기한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지(1000)는 단위셀의 구성 요소로서 전술한 바의 바이폴라 플레이트(118,119)를 구비함으로써 유로(F) 내에 전해액에 대하여 실질적인 충/방전의 기회를 증가시킨다. 또한, 반응에 충분한 시간 유로(F) 내 머무를 수 있도록 하며, 특히 고유량으로 유입되는 전해액에 대하여는 종래보다 효과적으로 내부 차압을 감소시킬 수 있다. 더불어, 반응 면적을 증가시켜 전해액 반응에 걸리는 과전압을 감소하여 결과적으로 전지 효율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

이러한 레독스 흐름 전지(1000)는 전해액의 유량 및 전지 출력에 관계 없이 에너지 손실을 최소화하면서, 충/방전 용량과 효율을 극대화 시킬 수 있어 고유량, 고전류 밀도를 타겟으로 하는 레독스 흐름 전지(1000)로서 바람직하게 적용된다. 이로 인해, 각종 산업 시설, 전자제품 및 자동차 등 산업 전반의 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

실시예 1

(1) 바이폴라 플레이트 제작

도 8에 나타낸 바와 같이 유로 내부에 섬유형 도전재가 삽입된 바이폴라 플레이트를 제작하였다.

도 8을 보면, 바이폴라 플레이트는 가로*세로가 82*82 mm인 바디와, 내부에 맞물림형 유로를 형성하였다. 이때 유로를 형성하기 위한 격벽의 폭은 5.0 mm, 유로 채널 폭은 4.0 mm, 유로 채널의 깊이는 2.5 mm를 갖는다.

섬유형 도전재로는 기공도가 95%인 카본 펠트(두께 3.5 mm)를 구입하여 사용하였고, 이를 유로 채널 폭에 맞도록 재단하였다.

이어, 상기 섬유형 도전재를 유로에 장착한 후 압력을 인가하여 유로 내부에 삽입하였다. 이때 섬유형 도전재의 두께가 유로 채널의 깊이와 동일할 때가지 압력을 인가하였다.

(2) 단위셀 제작

상기 (1)에서 제작한 바이폴라 플레이트를 구성하여 단위셀을 제작하였다.

이온 교환막(나피온 115, 75㎛)을 사이에 두고 양측에 카본 페이퍼 3장(각 두께 300㎛)을 적층하여 이루어진 전극층(900㎛)을 각각 배치하고, 각각의 외부에 바이폴라 플레이트를 배치시킨 후 0.5t의 가스켓을 이용하여 이들을 체결하여 레독스 흐름 전지를 제작하였다.

상기 바이폴라 플레이트의 유입구 및 배출구 각각에 전해액을 주입하였으며, 이때 전해액으로는 1.6M VOSO₄ (3M H₂SO₄) 50ml를 사용하였고, 유량은 25cc/min으로 하였다.

비교예 1

도 9에 나타낸 바와 같이 유로 내부에 섬유형 도전재가 미삽입된 바이폴라 플레이트를 제작한 다음, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 레독스 흐름 전지를 제작하였다.

실험예 1

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제작한 단위셀을 이용하여 충방전 용량 및 에너지 효율을 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 10 및 도 11에 나타내었다. 이때 충방전 조건은 1.25A에서 10 사이클 이후 2.5A에서 10 사이클, 3.75A에서 10 사이클, 2.5A에서 5 사이클로 수행하였다.

도 10은 실시예 1 및 비교예 1의 충방전 용량을 보여주는 그래프로서, 실시예 1의 전지의 경우 사이클 수가 지남에 따라 용량 저하가 비교예 1의 전지 대비 낮음을 알 수 있다.

상기 도 10에서 보여지는 충방전 용량을 보면 실시예 1에 약간 더 우수한 경향을 보였다. 이러한 차이는 하기 표 1 및 도 11의 에너지 효율 비교 그래프를 통해 확연히 알 수 있다. 이때 도 11은 실시예 1 및 비교예 1의 에너지 효율을 보여주는 그래프이다.

2회~10회 평균 에너지 효율		EE(%)
50mA/cm²	비교예 1	79.0
50mA/cm²	실시예 1	87.0
100mA/cm²	비교예 1	69.3
100mA/cm²	실시예 1	80.2
150mA/cm²	비교예 1	56.5
150mA/cm²	실시예 1	67.1

상기 표 1 및 도 11을 보면, 섬유형 도전재인 카본 펠트의 삽입으로 인해 반응 면적이 증가하여 단위 면적당 걸리는 저항 값이 낮아지는 것이 확연히 알 수 있다.

따라서, 고유량, 고전류 밀도를 타겟으로 하는 레독스 흐름 전지에는 본발명의 구조를 도입할 경우 매우 유리함을 알 수 있다.

본 발명의 레독스 흐름 전지는 고유량 고전류 밀도를 갖는 고성능 전지로서 바람직하게 적용 가능하다.

11,15,21,25: 바이폴라 플레이트
12,14,22,24: 전극층
13,23: 이온 교환막
27: 유로
1000: 레독스 흐름 전지
100: 전지 모듈
101: 단위 모듈
111,113: 엔드 플레이트
115,117: 집전 플레이트
118,119: 바이폴라 플레이트
120,121: 전극 플레이트
123: 이온 교환막 플레이트
130: 단위셀
151: 섬유형 도전재
152: 바디
154: 격벽
161: 배출구
162: 배출구
171: 공급 유로
172: 배출 유로
181,182,183,184: 연결부재
202,204: 전해액 탱크
302,304: 전해액 펌프
F: 유로
A: 전해액 반응부

Claims

판 형태의 바디; 및
상기 바디의 중앙부에 전해액이 이동할 수 있도록 형성된 유로를 포함하는 바이폴라 플레이트에 있어서,
상기 유로 내부에 섬유형 도전재가 삽입된 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재는 카본 펠트, 그라파이트 펠트, 카본천, 카본 페이퍼, 금속천, 금속 펠트 및 발포금속으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 직물 형태인 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재는 기공도는 10 내지 99%이고, 벌크 밀도가 0.05 내지 0.2 g/cm³인 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재는 카본계 도전재 및 금속 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제4항에 있어서,
상기 카본계 도전재는 카본 페이퍼, 카본 파이버, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 플러렌, 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼 및 카본 나노 링으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제4항에 있어서,
상기 금속 입자는 Na, Al, Mg, Li, Ti, Zr, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ru, Pd, Rd, Pt, Ag, Au, W, Ni 및 Fe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재는 유로 부피(유로 채널 폭*유로 채널 깊이*격벽의 길이)에 대해 10 내지 100%의 부피비로 충진되는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 섬유형 도전재의 두께(Y) 대비 유로 채널의 깊이(X)가 1< Y/X ≤1.5의 식을 만족하도록 상기 섬유형 도전재를 유로 내부에 충진하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 바이폴라 플레이트는 바디의 일측에 전해액의 유입을 위한 유출구;
유로를 통과한 전해액의 배출을 위한 배출구;
전해액이 이동하여 전극 플레이트와 접하도록 내부에 유로가 형성된 전극층;
상기 유출구와 전극층 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 공급 유로; 및
상기 배출구와 전극층 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 배출 유로;를 포함하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 유로는 패러렐(parallel), 서펜틴(serpentine), 세미서펜틴(semi-serpentine), 지그재그(zigzag), 맞물림형(interdigitated) 및 핀(pin) 형태로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 패턴을 포함하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
이온 교환막;
상기 이온 교환막의 양측에 각각 배치된 전극층; 및
상기 전극층의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트를 포함하고,
상기 바이폴라 플레이트는 제1항 내지 제10항의 어느 한 항에 따른 바이폴라 플레이트인 레독스 흐름 전지용 단위셀.
제11항에 있어서,
상기 전극층은 카본 펠트, 그라파이트 펠트, 카본천, 카본 페이퍼, 금속천, 금속 펠트 및 발포금속으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함하는 레독스 흐름 전지용 단위셀.
제11항에 있어서,
상기 전극층은 탄소재를 1층 또는 2층 이상 적층하여 형성된 레독스 흐름 전지용 단위셀.
제11항에 있어서,
상기 전극층은 1층 또는 2층 이상의 탄소재가 적층된 형태를 갖는 레독스 흐름 전지용 단위셀.
전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈;
상기 전지 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하기 위한 전해액 탱크; 및
상기 모듈과 전해액 탱크 간 전해액을 순환시키기 위한 전해액 펌프를 포함하며,
상기 단위 스택은 제11항의 레독스 흐름 전지용 단위셀이 복수개로 연결된 레독스 흐름 전지.