KR20180035596A - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 배관의 길이를 단축시켜 부피 절감과 원가 절감을 구현하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 전류를 생성하는 스택, 상기 스택에 연결되어 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 공급하는 제1펌프와 제2펌프, 상기 스택, 상기 제1펌프, 및 상기 제2펌프를 수용하는 내부 탱크, 상기 애노드 전해액과 상기 캐소드 전해액 및 상기 내부 탱크를 수용하는 외부 탱크, 및 상기 내부 탱크의 외측에서 상기 외부 탱크를 애노드 전해액 구역과 캐소드 전해액 구역으로 구획하는 격벽을 포함한다.

Description

레독스 흐름 전지 {REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부피 절감, 원가 절감 및 효율 증대를 구현하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 레독스 흐름 전지는 바이폴라 전극판(bipolar electrode)과 멤브레인(membrane)을 반복적으로 적층하고, 적층된 최외곽의 양측에 집전판과 앤드 캡을 차례로 적층하여 형성되는 스택, 및 스택에 전해액을 공급하고 스택에서 내부 반응 후, 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함한다.
예를 들면, 아연-브로민 레독스 흐름 전지에서, 전해액 탱크는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 수용하는 애노드 전해액 탱크, 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 수용하는 캐소드 전해액 탱크, 및 캐소드 전해액의 2상(phase)을 수용하는 2상 전해액 탱크를 포함할 수 있다.
애노드 전해액 탱크와 캐소드 전해액 탱크는 제1오버 플로우 관으로 연결되어 부족한 전해액을 서로 공급하며, 캐소드 전해액 탱크와 2상 전해액 탱크는 제2오버 플로우 관으로 연결되어 캐소드 전해액과 2상 전해액을 각각 수용한다.
2상 전해액 탱크는 스택으로부터 유출되는 캐소드 전해액을 비중 차이에 따라 분리하여, 상부에 수성 브로민(aqueous Br)과 하부에 중혼합 브로민(heavy complexing Br)을 수용한다.
충전시 2상 전해액 탱크에는 중혼합 브로민의 양이 증가하고, 방전시 중혼합(heavy complexing) 브로민의 양이 감소된다. 상부의 수성 브로민은 제2오버 플로우 관을 통하여 캐소드 전해액 탱크로 공급된다.
이와 같은 레독스 흐름 전지는 스택과 전해액 탱크들을 별도로 구비하고, 스택과 전해액 탱크를 배관으로 연결하여 형성되므로 배관의 길이가 증가되고, 부피 및 원가가 상승되며, 스택 내부의 크로스 오버에 의하여 효율이 저하되는 단점을 가진다.
본 발명의 일 실시예는 배관의 길이를 단축시켜 부피 절감과 원가 절감을 구현하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 일 실시예는 스택 내의 크로스 오버(cross over)를 줄이고, 션트 커런트(shunt current)를 감소시켜, 효율 증대를 구현하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 전류를 생성하는 스택, 상기 스택에 연결되어 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 공급하는 제1펌프와 제2펌프, 상기 스택, 상기 제1펌프, 및 상기 제2펌프를 수용하는 내부 탱크, 상기 애노드 전해액과 상기 캐소드 전해액 및 상기 내부 탱크를 수용하는 외부 탱크, 및 상기 내부 탱크의 외측에서 상기 외부 탱크를 애노드 전해액 구역과 캐소드 전해액 구역으로 구획하는 격벽을 포함한다.
상기 스택에 구비되는 애노드 전해액 유입구와 애노드 전해액 유출구는 상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 애노드 전해액 구역에서 개방되고, 상기 애노드 전해액 유입구에 상기 제1펌프가 연결될 수 있다.
상기 스택에 구비되는 캐소드 전해액 유입구와 캐소드 전해액 유출구는 상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 캐소드 전해액 구역에서 개방되고, 상기 캐소드 전해액 유입구에 상기 제2펌프가 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 상기 내부 탱크에서 상기 제2펌프의 전방에 구비되어 상기 캐소드 전해액 유입구로 공급할 캐소드 전해액 중 중혼합 브로민의 양을 조절하는 제1액츄에이터를 더 포함할 수 있다.
상기 캐소드 전해액 유입구는 상기 스택의 일측에서 상방에 구비되는 상부 유입구와 하방에 구비되는 하부 유입구를 포함하며, 상기 상부 유입구와 상기 하부 유입구에 제2액츄레이터를 개재하여 상기 제2펌프에 연결되고, 상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 캐소드 전해액 구역에서 개방될 수 있다.
상기 캐소드 전해액 유출구는 상기 스택의 일측에서 상방에 구비되는 상부 유출구와 하방에 구비되는 하부 유출구를 포함하며, 상기 상부 유출구와 상기 하부 유출구에 제3액츄레이터를 개재하고, 상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 캐소드 전해액 구역에서 개방될 수 있다.
상기 내부 탱크 및 상기 외부 탱크는 내산성과 내화학성에 유리한 폴리프로필렌(PP, polypropylene)으로 형성될 수 있다.
상기 스택은 아연 브로민 흐름 전지, 아연 불소 흐름 전지, 아연 염소 흐름 전지 및 아연 아이오딘 흐름 전지 중 하나에 적용될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 내부 탱크에 스택, 제1, 제2펌프, 애노드 전해액 및 캐소드 전해액을 수용하고, 외부 탱크에 내부 탱크를 수용하므로 스택과 제1, 제2펌프를 연결하는 배관의 길이가 단축되어 레독스 흐름 전지의 부피 절감과 원가 절감을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 외부 탱크를 적층하여 대용량화를 구현하므로 외부 탱크들 사이에 전해액을 공유하지 않고 스택 내부의 크로스 오버(cross over)를 줄이므로 션트 커런트(shunt current) 감소와 효율 증대를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1에 적용되는 스택의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이다.
도 6은 도 4의 Ⅵ-Ⅵ 선에 따른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 전해액의 순환으로 전류를 발생시키는 스택(100), 스택(100)과 스택(100)에 전해액을 공급하는 제1펌프(P1)와 제2펌프(P2)를 수용하는 내부 탱크(200), 내부 탱크(200)와 전해액을 저장하는 전해액 탱크(예를 들면, 외부 탱크(300)), 및 내부 탱크(200)의 외측에서 외부 탱크(300)를 구획하는 격벽(400)을 포함한다.
제1펌프(P1)와 제2펌프(P2)는 스택(100)에 연결되어 외부 탱크(300)에 저장된 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 스택(100)에 공급한다.
애노드, 캐소드 전해액을 유입 및 유출하기 위하여, 스택(100)과 제1, 제2펌프(P1, P2)가 내부 탱크(200)의 내부에 배치되어 외부 탱크(300)에 연결되므로 외부 탱크(300)와 스택(100)을 연결하는 배관의 길이가 짧아지고, 압력 차이가 작아질 수 있다. 배관의 길이가 짧아지고 압력 차이가 작아짐에 따라 스택(100)의 내부에서 발생되는 크로스 오버(cross over)가 감소되어 효율이 증대될 수 있다.
외부 탱크(300)는 내부 탱크(200)를 수용하고, 스택(100)으로 유입되거나 스택(100)에서 유출되는 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 수용한다. 따라서 내부 탱크(200)는 외부 탱크(300)의 애노드, 캐소드 전해액 속에 침지된다.
외부 탱크(300)는 레독스 흐름 전지의 외관을 형성하며, 부피를 줄일 수 있다. 레독스 흐름 전지가 스택(100)을 내부 탱크(200)에 내장하고, 내부 탱크(200)를 외부 탱크(300)에 내장함에 따라 대용량화를 위하여 스택(100)들을 직렬로 연결하고 외부 탱크(300)를 적층하여 형성될 수 있다.
이때, 전해액 탱크는 모든 구성을 수용하고 있는 복수의 외부 탱크(300)를 적층하여 직렬로 연결하여 형성되므로 종래와 같이 단순히 하나의 전해액 탱크를 사용하여 그 부피가 증가할 때 발생될 수 있는 션트 커런트(shunt current)를 최소화 할 수 있다. 즉 레독스 흐름 전지의 효율이 증대될 수 있다.
이 경우에도, 애노드, 캐소드 전해액을 공급하기 위하여 스택(100)과 외부 탱크(300)를 연결하는 배관의 길이가 짧아지고 압력 차이가 작아지므로 스택(100)의 내부에서 발생되는 크로스 오버(cross over)가 감소되어 효율이 증대될 수 있다.
일 실시예의 레독스 흐름 전지는 외부 탱크(300) 및 스택(100)의 부피 및 개수에 따라 용량 및 출력을 자유롭게 설정할 수 있으며, 다른 흐름 전지에 비하여, 대용량화 및 시스템의 구성을 자유롭게 할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 격벽(400)은 내부 탱크(200)의 외측에서 외부 탱크(300)를 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 구역(AA)과 캐소드 전해액을 수용하는 캐소드 전해액 구역(CA)으로 구획한다.
따라서 애노드, 캐소드 전해액은 내부 탱크(200)에 수용된 스택(100)에서 애노드 전해액 구역(AA)과 캐소드 전해액 구역(CA)으로 각각 배관을 통하여 유입 또는 유출 될 수 있다.
일례로써, 내부 탱크(200)는 스택(100)의 제1높이(H1)보다 큰 제2높이(H2)로 형성되고, 외부 탱크(300)는 제2높이(H2)보다 큰 제3높이(H3)로 형성된다. 그리고 격벽(400)은 제3높이(H3)로 형성된다.
이때, 스택(100)에서 내부 탱크(200)를 경유하여 애노드 전해액 구역(AA)을 연결하거나, 캐소드 전해액 구역(CA)을 연결하는 데, 후술하는 애노드 전해액 유입구(H21), 애노드 전해액 유출구(H22), 캐소드 전해액 유입구(H31) 및 캐소드 전해액 유출구(H32)를 제외한 별도의 애노드, 캐소드 전해액 배관이 사용되지 않는다.
내부 탱크(200), 외부 탱크(300) 및 격벽(400)은 아연 브로민 흐름 전지에서 내산성과 내화학성에 유리한 폴리프로필렌(PP, polypropylene)으로 형성될 수 있다. 스택(100)은 아연 브로민 흐름 전지, 아연 불소 흐름 전지, 아연 염소 흐름 전지 또는 아연 아이오딘 흐름 전지에 적용될 수 있다.
한편, 스택(100)은 애노드 전해액을 유입하고 유출하는 애노드 전해액 유입구(H21)와 애노드 전해액 유출구(H22) 및 캐소드 전해액을 유입하고 유출하는 캐소드 전해액 유입구(H31)와 캐소드 전해액 유출구(H32)를 구비한다.
애노드 전해액 유입구(H21)와 애노드 전해액 유출구(H22)는 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 애노드 전해액 구역(AA)에서 개방되고, 애노드 전해액 유입구(H21)에 제1펌프(P1)가 연결된다. 따라서 제1펌프(P1)의 구동에 따라 애노드 전해액은 애노드 전해액 유입구(H21)로 유입되어 스택(100)의 내부를 순환한 후, 애노드 전해액 유출구(H22)로 유출된다.
애노드 전해액은 스택(100) 내의 애노드 전극(32)(도 4~6 참조)에 아연 금속이 고루 증착될 수 있도록 스택(100)의 하단에 상단으로 순환할 수 있도록 애노드 전해액 유입구(H21)를 스택(100)의 하단에 구비하고 애노드 전해액 유출구(H22)를 스택(100)의 상단에 구비한다.
캐소드 전해액 유입구(H31)와 캐소드 전해액 유출구(H32)는 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)에서 개방되고, 캐소드 전해액 유입구(H31)에 제2펌프(P2)가 연결된다. 따라서 제2펌프(P2)의 구동에 따라 캐소드 전해액은 캐소드 전해액 유입구(H31)로 유입되어 스택(100)의 내부를 순환한 후, 캐소드 전해액 유출구(H32)로 유출된다.
내부 탱크(200)에서 제2펌프(P2)의 전방에 제1액츄에이터(A1)가 구비된다. 제1액츄에이터(A1)는 캐소드 전해액 유입구(H31)로 공급할 캐소드 전해액 중 중혼합 브로민의 양을 조절한다. 이를 위하여, 제1액츄에이터(A1)는 전방을 향하여 상부의 캐소드 전해액을 유입하는 전방 유입구(H11)와 하방을 향하여 중혼합 브로민을 유입하는 하방 유입구(H12)에 연결된다.
캐소드 전해액 유입구(H31)는 스택(100)의 일측에서 상방에 구비되는 상부 유입구(H41)와 하방에 구비되는 하부 유입구(H42)를 포함한다. 캐소드 전해액 유입구(H31)는 상부 유입구(H41)와 하부 유입구(H42)에 제2액츄레이터(A2)를 개재하여 제2펌프(P2)에 연결된다.
따라서 제2펌프(P2)의 구동으로 전방 유입구(H11) 또는 하방 유입구(H12)로 유입되는 캐소드 전해액은 캐소드 전해액 유입구(H31)와 제2액츄에이터(A2)를 경유하여 상부 유입구(H41) 또는 하부 유입구(H42)를 통하여 스택(100)으로 유입된다. 제2액츄에이터(A2)는 유입되는 캐소드 전해액의 흐름 방향을 설정한다.
캐소드 전해액 유출구(H32)는 스택(100)의 일측에서 상방에 구비되는 상부 유출구(H51)와 하방에 구비되는 하부 유출구(H52)를 포함한다. 캐소드 전해액 유출구(H32)는 상부 유출구(H51)와 하부 유출구(H52)에 제3액츄레이터(A3)를 개재하여 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)에서 개방된다.
따라서 스택(100)을 순환한 캐소드 전해액은 상부 유출구(H51)와 하부 유출구(H52) 및 제3액츄에이터(A3)를 통하여 캐소드 전해액 유출구(H32)로 유출된다. 제3액츄에이터(A3)는 유출되는 캐소드 전해액의 흐름 방향을 설정한다.
스택(100) 내의 캐소드 전극(31)(도 4~6 참조)에서, 충전시 브로민(Br2) 가스가 생성된다. 브로민은 사암모늄(Quaternary ammonium)과 결합하여 중혼합 브로민(QBr)으로 존재한다. 중혼합 브로민(QBr)은 충전시, 높은 비중을 갖게 되어 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA) 하부에 가라앉아 보관되고, 방전시, 사용된다.
따라서 충전시, 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)의 상부에 중혼합 브로민(QBr)이 포함되어 있지 않은 캐소드 전해액을 사용하고, 방전시, 하부에 위치하는 중혼합 브로민(QBr)이 포함된 캐소드 전해액을 사용할 수 있어야 한다.
이를 위하여, 제1액츄에이터(A1)가 제2펌프(P2)의 흡입 측에서 전방 유입구(H11)와 하방 유입구(H12)에 연결되어, 스택(100)으로 유입될 캐소드 전해액 중에 포함될 중혼합 브로민(QBr)의 양을 선택적으로 조절할 수 있다.
제2, 제3엑츄에이터(A2, A3)는 방전시, 높은 비중을 차지하는 중혼합 브로민(QBr)의 유입으로 인해 생기는 스택(100) 내부의 전압 감소를 막아준다. 이를 위하여, 제2, 제3엑츄에이터(A2, A3)는 스택(100) 내부에서 캐소드 전해액의 흐름을 하단에서 상단 또는 상단에서 하단으로 흐를 수 있게 한다.
도 4는 도 1에 적용되는 스택의 분해 사시도이다. 도 4를 참조하면, 스택(100)은 버스바(B1, B2)를 통하여 외부의 부하에 연결되어 스택(100)의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나, 외부의 전원에 연결되어 외부 탱크(300)에 전류를 충전할 수 있다. 예를 들면, 스택(100)은 단위 셀들(C1~C2)을 복수로 적층하여 형성될 수 있다. 편의상, 본 실시예는 좌우 양측에 구비되는 단위 셀들(C1~C2)을 예시한다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 좌측 단위 셀(C1)에 애노드 전해액 유입구(H21)와 캐소드 전해액 유입구(H31)(상, 하부 유입구(H41, H42))가 구비된다. 애노드 전해액 유입구(H21)는 제1펌프(P1)를 개재하여 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 애노드 전해액 구역(AA)에 연결된다. 캐소드 전해액 유입구(H31)는 제2펌프(P2) 및 제1, 제2액츄에이터(A1, A2)를 개재하여 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)에 연결된다.
또한, 우측 단위 셀(C2)에 애노드 전해액 유출구(H22)와 캐소드 전해액 유출구(H32)(상, 하부 유출구(H51, H52))가 구비된다. 애노드 전해액 유출구(H22)는 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 애노드 전해액 구역(AA)에 연결된다. 캐소드 전해액 유출구(H32)(상, 하부 유출구(H51, H52))는 제3액츄에이터(A3)를 개재하여 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)에 연결된다.
애노드 전해액 유입구(H21)는 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 애노드 전해액 구역(AA)의 애노드 전해액을 좌측 단위 셀(C1)로 유입한다. 애노드 전해액 유출구(H22)는 스택(100)을 경유하여, 우측 단위 셀(C2)로부터 유출되는 애노드 전해액을 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 애노드 전해액 구역(AA)으로 유출한다.
캐소드 전해액 유입구(H31)는 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)의 캐소드 전해액을 좌측 단위 셀(C1)로 유입한다. 제1액츄에이터(A1)의 작동에 따라 전방 유입구(H11) 또는 하방 유입구(H12)로 캐소드 전해액 및 조절된 양의 중혼합 브로민을 유입하여, 제2액츄에이터(A2)의 작동에 따라 상부 유입구(H41)와 하부 유입구(H42)로 캐소드 전해액을 유입한다.
캐소드 전해액 유출구(H32)는 스택(100)을 경유하여, 우측 단위 셀(C2)로부터 유출되는 캐소드 전해액을 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)으로 유출한다. 제3액츄에이터(A3)의 작동에 따라 상부 유출구(H51)와 하부 유출구(H52)를 경유하여 우측 단위 셀(C2)로부터 유출되는 캐소드 전해액을 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)으로 유출한다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이며, 도 6은 도 4의 Ⅵ-Ⅵ 선에 따른 단면도이다. 도 4 내지 도 6를 참조하면, 스택(100)은 멤브레인(10), 스페이서(20), 전극판(30), 흐름 프레임(예를 들면, 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50)), 제1, 제2집전판(61, 62)(도 3 및 도 4 참조) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 포함한다.
일례로써, 스택(100)은 복수의 단위 셀들(C1~C2)을 구비하므로 전극 흐름 프레임(50)을 중앙에 구비하고, 전극 흐름 프레임(50)의 양측에 좌우 대칭 구조로 배치되는 2개의 멤브레인 흐름 프레임(40), 및 멤브레인 흐름 프레임(40)의 외곽에 각각 배치되는 2개의 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 포함한다.
멤브레인(10)은 이온을 통과시키도록 구성되고, 멤브레인 흐름 프레임(40)에 이의 두께 방향 중심에 결합된다. 전극판(30)은 전극 흐름 프레임(50)에 이의 두께 방향 중심에 결합된다.
제1앤드 캡(71), 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 멤브레인 흐름 프레임(40) 및 제2앤드 캡(72)을 배치하고, 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 각각 스페이서(20)를 개재하여 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 서로 접합함으로써, 복수의 단위 셀들(C1~C2)을 구비한 스택(100)이 형성된다.
전극판(30)은 복수의 단위 셀들(C1~C2)이 연결되는 부분에서는 일측으로 애노드 전극(32)을 형성하고 다른 측으로 캐소드 전극(31)을 형성하여, 복수의 단위 셀들(C1~C2)을 직렬로 연결하는 바이폴라 전극을 형성한다. 캐소드 전극(31)에는 카본 코팅층이 형성될 수 있다.
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)은 서로 접착되어 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 내부 용적(S)을 설정하며, 내부 용적(S)에 전해액을 공급하는 제1, 제2유로 채널(CH1(도 5 참조), CH2(도 6 참조))을 구비한다. 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)은 멤브레인(10)의 양면에서 각각 균일한 압력과 양으로 전해액을 공급하도록 구성된다.
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)은 합성수지 성분을 포함하는 전기 절연재로 형성되어, 열융착 또는 진동 융착으로 접착될 수 있다.
제1유로 채널(CH1)은 애노드 전해액 유입구(H21), 내부 용적(S) 및 애노드 전해액 유출구(H22)를 연결하여, 제1펌프(P1)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 애노드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다(도 5 참조).
제2유로 채널(CH2)은 전, 하방 유입구(H11, H12), 제1액츄에이터(A1), 캐소드 전해액 유입구(H31), 상, 하부 유입구(H41, H42), 내부 용적(S), 상, 하부 유출구(H51, H52), 및 캐소드 전해액 유출구(H32)를 연결하여, 제2펌프(P2)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 캐소드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다(도 6 참조).
애노드 전해액은 내부 용적(S)의 애노드 전극(32) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하고 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 애노드 전해액 구역(AA)에 저장된다.
캐소드 전해액은 내부 용적(S)의 캐소드 전극(31) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 내부 탱크(200)를 경유하여 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)에 저장된다.
충전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서,
2Br― → Br2＋2e- (식 1)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 캐소드 전해액에 포함된 브로민이 생산되어 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)에 저장된다. 이때, 브로민은 캐소드 전해액과 같이 스택(100)으로부터 즉시 제거되는 고밀도 제2상을 형성하도록 캐소드 전해액 안에서 사암모늄 이온에 의하여 즉시 혼합된다. 외부 탱크(300)의 캐소드 전해액 구역(CA)에서 분리된 수성 브로민은 상부로 이동된다.
충전시, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서,
Zn2 ＋＋2e- → Zn(S) (식 2)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 애노드 전해액에 포함된 아연이 애노드 전극(32)에 증착되어 저장된다. 이때, 외부 탱크(300)의 애노드 전해액 구역(AA)에 저장된다.
방전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서, 식 1의 역 반응이 일어나고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서 식 2의 역 반응이 일어난다.
제1, 제2집전판(61, 62)은 캐소드 전극(31)과 애노드 전극(32)에서 생성된 전류를 모으거나, 외부에서 캐소드 전극(31)과 애노드 전극(32)에 전류를 공급하도록 최외곽 전극판(30, 30)에 접착되어 전기적으로 연결된다.
버스바(B1, B2)는 제1, 제2집전판(61, 62)에 전기적으로 각각 연결되어 스택(100)의 외부로 전류를 인출하거나 외부의 전류를 스택(100)으로 공급할 수 있게 한다.
이를 위하여, 제1앤드 캡(71)은 버스바(B1)가 연결된 제1집전판(61)과, 제1집전판(61)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 일체로 형성되어, 스택(100)의 일측 외곽을 형성한다. 제1앤드 캡(71)은 버스바(B1) 제1집전판(61) 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 성형될 수 있다.
제2앤드 캡(72)은 버스바(B2)가 연결된 제2집전판(62)과, 제2집전판(62)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 일체로 형성되어 스택(100)의 다른 일측 외곽을 형성한다. 제2앤드 캡(72)은 버스바(B2) 제2집전판(62) 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 성형될 수 있다.
제1앤드 캡(71)은 일측에 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어, 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 유입한다. 제2앤드 캡(72)은 일측에 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 유출한다.
이와 같이, 내부 탱크(200)에 스택(100) 및 주위 구성들을 수용하고, 외부 탱크(300)에 내부 탱크(200)를 전해액에 침지하여 수용하므로 애노드, 캐소드 전해액의 유입과 유출을 위한 배관의 길이가 단축되고, 부피 및 비용이 절감된다. 대용량화를 위하여 외부 탱크(300)를 적층하는 경우에도 각 외부 탱크(300) 별로 전해액을 공유하지 않으므로 션트 커런트가 감소되어 레독스 흐름 전지의 효율이 증대될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 멤브레인 20: 스페이서
30: 전극판 31: 캐소드 전극
32: 애노드 전극 40: 멤브레인 흐름 프레임
50: 전극 흐름 프레임 61, 62: 제1, 제2집전판
71, 72: 제1, 제2앤드 캡 100: 스택
200: 내부 탱크 300: 외부 탱크
400: 격벽 A1, A2, A3: 제1, 제2, 제3액츄에이터
AA: 2애노드 전해액 구역 B1, B2: 버스바
C1~C2: 단위 셀 CA: 캐소드 전해액 구역
H1, H2, H3: 제1, 제2, 제3높이 H11: 전방 유입구
H12: 하방 유입구 H21: 애노드 전해액 유입구
H22: 애노드 전해액 유출구 H31: 캐소드 전해액 유입구
H32: 캐소드 전해액 유출구 H41: 상부 유입구
H42: 하부 유입구 H51: 상부 유출구
H52: 하부 유출구 P1, P2: 제1, 제2펌프

Claims (8)

  1. 전류를 생성하는 스택;
    상기 스택에 연결되어 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 공급하는 제1펌프와 제2펌프;
    상기 스택, 상기 제1펌프, 및 상기 제2펌프를 수용하는 내부 탱크;
    상기 애노드 전해액과 상기 캐소드 전해액 및 상기 내부 탱크를 수용하는 외부 탱크; 및
    상기 내부 탱크의 외측에서 상기 외부 탱크를 애노드 전해액 구역과 캐소드 전해액 구역으로 구획하는 격벽
    을 포함하는 레독스 흐름 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스택에 구비되는 애노드 전해액 유입구와 애노드 전해액 유출구는
    상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 애노드 전해액 구역에서 개방되고,
    상기 애노드 전해액 유입구에 상기 제1펌프가 연결되는 레독스 흐름 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스택에 구비되는 캐소드 전해액 유입구와 캐소드 전해액 유출구는
    상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 캐소드 전해액 구역에서 개방되고,
    상기 캐소드 전해액 유입구에 상기 제2펌프가 연결되는 레독스 흐름 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내부 탱크에서 상기 제2펌프의 전방에 구비되어 상기 캐소드 전해액 유입구로 공급할 캐소드 전해액 중 중혼합 브로민의 양을 조절하는 제1액츄에이터를 더 포함하는 레독스 흐름 전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 전해액 유입구는
    상기 스택의 일측에서 상방에 구비되는 상부 유입구와 하방에 구비되는 하부 유입구를 포함하며,
    상기 상부 유입구와 상기 하부 유입구에 제2액츄레이터를 개재하여 상기 제2펌프에 연결되고,
    상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 캐소드 전해액 구역에서 개방되는 레독스 흐름 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캐소드 전해액 유출구는
    상기 스택의 일측에서 상방에 구비되는 상부 유출구와 하방에 구비되는 하부 유출구를 포함하며,
    상기 상부 유출구와 상기 하부 유출구에 제3액츄레이터를 개재하고,
    상기 내부 탱크를 경유하여 상기 외부 탱크의 상기 캐소드 전해액 구역에서 개방되는 레독스 흐름 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내부 탱크 및 상기 외부 탱크는
    내산성과 내화학성에 유리한 폴리프로필렌(PP, polypropylene)으로 형성되는 레독스 흐름 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스택은
    아연 브로민 흐름 전지, 아연 불소 흐름 전지, 아연 염소 흐름 전지 및 아연 아이오딘 흐름 전지 중 하나에 적용되는 레독스 흐름 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2510568A1 (en) * 2009-12-18 2012-10-17 Redflow Pty Ltd Flowing electrolyte reservoir system

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