KR20180040473A - 프레임, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지 - Google Patents

프레임, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지 Download PDF

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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있으면서, 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있는 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임을 제공한다. 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임으로서, 상기 프레임의 내측에 형성된 개구와, 전해액이 유통되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에서 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿을 구비하고, 상기 슬릿은, 적어도 하나의 곡부를 가지며, 적어도 하나의 상기 곡부의 곡률 반경이 2.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하인 프레임.

Description

프레임, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지{FRAME BODY, CELL FRAME FOR REDOX FLOW BATTERY, AND REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다. 특히, 프레임에 마련된 슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있으면서, 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있는 레독스 플로우 전지용 셀의 프레임에 관한 것이다.
대용량의 축전지의 하나로서, 레독스 플로우 전지(이하, 「RF 전지」라고 부르는 경우가 있음)가 알려져 있다(특허문헌 1, 2를 참조). 레독스 플로우 전지의 용도로서는, 부하 평준화 용도 외에, 순시 전압 저하 보상이나 비상용 전원 등의 용도, 대량 도입이 진행되고 있는 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 자연 에너지의 출력 평활화 용도 등을 들 수 있다.
RF 전지는, 정극 전해액 및 부극 전해액에 산화 환원에 의해 가수가 변화하는 금속 이온(활물질)을 함유하는 전해액을 사용하여 충방전을 행하는 전지이다. 도 9에, 정극 전해액 및 부극 전해액에 활물질이 되는 V 이온을 함유하는 바나듐 전해액을 사용한 바나듐계 RF 전지(300)의 동작 원리도를 나타낸다. 도 9 중의 전지 셀(100) 내의 실선 화살표는 충전 반응을, 파선 화살표는 방전 반응을 각각 나타낸다.
RF 전지(300)는, 수소 이온을 투과시키는 이온 교환막(101)으로 정극 셀(102)과 부극 셀(103)로 분리된 셀(100)을 구비한다. 정극 셀(102)에는 정극 전극(104)이 내장되고, 또한 정극 전해액을 저류하는 정극 전해액용 탱크(106)가 도관(108, 110)을 통해 접속되어 있다. 한편, 부극 셀(103)에는 부극 전극(105)이 내장되고, 또한 부극 전해액을 저류하는 부극 전해액용 탱크(107)가 도관(109, 111)을 통해 접속되어 있다. 그리고, 펌프(112, 113)에 의해, 각 탱크(106, 107)에 저류되는 전해액을 셀(100)[정극 셀(102) 및 부극 셀(103)]에 순환 유통시켜, 충방전을 행한다.
상기 RF 전지(300)에는, 통상, 복수의 셀(100)이 적층된 셀 스택을 구비하는 구성이 이용되고 있다. 도 10은 셀 스택의 개략 구성도이다. 도 10에 예시하는 셀 스택(10S)은, 직사각 프레임형의 프레임(22)의 내측에 쌍극판(21)이 마련된 셀 프레임(20), 정극 전극(104), 이온 교환막(101) 및 부극 전극(105)을 각각 복수 적층하여 이루어지고, 그 적층체를 2장의 엔드 플레이트(250)로 사이에 끼워 체결함으로써 형성되어 있다. 프레임(22)은, 그 내측에 개구가 형성되어 있고, 셀 프레임(20)은, 프레임(22)의 개구에 쌍극판(21)이 감입됨으로써 프레임(22)의 내측에 오목부가 형성되어 있다. 구체적으로는, 셀 프레임(20)은, 프레임(22)의 내주면 및 쌍극판(21)의 표면에 의해 프레임(22)의 내측에 오목부(챔버)(24)가 형성되고, 쌍극판(21)의 일면측에 정극 전극(104)이 배치되며, 타면측에 부극 전극(105)이 배치된다. 도 10에 예시하는 프레임(22)의 경우, 서로 대향하는 상하 한쌍의 장편과, 장편의 단부끼리를 연결하는 좌우 한쌍의 단편으로 구성되는 직사각 프레임형이다. 프레임(22)의 내측에 형성된 챔버(24)에는, 전극[정극 전극(104) 또는 부극 전극(105)]이 수납되고, 쌍극판(21)과 프레임(22)과 이온 교환막(101)으로 둘러싸이는 챔버(24)의 내부 공간이 셀(정극 셀 또는 부극 셀)을 구성한다. 상기 셀 스택(10S)에서는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 인접하는 셀 프레임(20) 사이에, 이온 교환막(101)을 사이에 끼워 정부 한쌍의 전극(104, 105)이 배치됨으로써, 하나의 셀(단셀)(100)이 형성되게 된다.
셀 스택(10S)에 있어서의 전해액의 유통은, 프레임(22)에 관통하여 형성된 매니폴드(200) 및 프레임(22)의 표면에 형성되고, 매니폴드(200)와 챔버(24) 사이를 접속하는 슬릿(210)에 의해 행해진다. 슬릿(210)의 일단은 매니폴드(200)에 연결되고, 타단은 챔버(24)에 연결되어 있다. 도 10에 예시하는 셀 스택(10S)에서는, 정극 전해액은, 급액 매니폴드(201)로부터 프레임(22)의 일면측(지면 표면측)에 형성된 급액 슬릿(211)을 통해 정극 전극(104)이 수납되는 챔버(24)에 공급되고, 이 챔버(24) 내를 유통되어, 배액 슬릿(213)을 통하여 배액 매니폴드(203)에 배출된다. 마찬가지로, 부극 전해액은, 급액 매니폴드(202)로부터 프레임(22)의 타면측(지면 이면측)에 형성된 급액 슬릿(212)을 통해 부극 전극(105)이 수납되는 챔버에 공급되고, 배액 슬릿(214)을 통해 챔버로부터 배액 매니폴드(204)에 배출된다. 셀 프레임(20) 사이에는, 전해액의 누설을 억제하기 위해, 프레임(22)의 외연부를 따라 O 링이나 평패킹 등의 환형의 시일 부재(50)가 배치되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-80613호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2002-246061호 공보
RF 전지에서는, 슬릿 내에 충전 상태의 전해액이 채워져 있으면, 슬릿 내의 전해액을 통하여 션트 전류가 흘러, 션트 전류에 의한 손실(션트 전류 손실)이 생긴다. 이 션트 전류를 저감하는 수단의 하나로서, 전해액의 유로가 되는 슬릿의 길이를 길게 하여, 슬릿 내에 있어서의 전해액의 전기 저항을 크게 하는 것을 들 수 있다. 그래서, 종래, 션트 전류 손실을 저감하는 관점에서, 슬릿의 일부에 곡부를 마련함으로써, 직선형의 슬릿과 비교하여, 슬릿의 길이를 길게 하는 수단이 채용되는 경우가 있다. 「슬릿의 길이」란, 셀 프레임(프레임)을 평면에서 보았을 때, 슬릿의 일단으로부터 타단까지 슬릿을 따라 측정한 길이를 의미한다.
슬릿에 곡부를 마련하여, 슬릿의 길이를 길게 하는 데에도 한도가 있으며, RF 전지의 운전 시나 대기 시 등, 슬릿 내에 전해액이 채워져 있으면, 전해액에 션트 전류가 적지 않게 흐르게 된다. 이 션트 전류에 기인하여 전해액이 발열하여, 전해액의 온도가 상승하는 경우가 있다. 특히, RF 전지의 대기 시는, 슬릿 내에 전해액이 머물러 있기 때문에, 전해액을 유통시키는 운전 시와 비교하여, 슬릿 내에서 전해액의 온도가 상승하기 쉽다. 전해액의 온도가 상승하면, 전해액에 석출물이 생기는 경우가 있어, 전해액이 열화하는 등 전지 성능의 저하를 초래할 우려가 있다. 또한, 전해액의 온도 상승에 의해, 그 열에 의해 프레임이 연화하여 변형되는 등 프레임(셀 프레임)에 손상을 부여할 우려가 있다. 따라서, 슬릿 내의 전해액의 온도 상승을 억제하기 위해, 전해액의 방열을 개선하는 것이 요구된다.
또한, RF 전지용 셀의 프레임에는, 전해액이 유통되었을 때의 액압이나 열 팽창에 기인하여, 프레임을 구성하는 부재의 길이 방향이나 폭 방향으로 인장 응력이 작용하고, 이 응력에 의해 왜곡이 생긴다. 특히, 프레임의 슬릿 형성 부분은, 두께가 얇기 때문에 왜곡이 생기기 쉽고, 또한, 슬릿 단면의 코너부에 응력 집중이 생기기 쉬운 것 등, 과도한 응력이 작용한 경우, 슬릿을 기점으로 크랙이 발생하기 쉽다. 따라서, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제하는 것이 요구된다. 「슬릿 단면」이란, 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면을 의미한다.
종래, 션트 전류 손실의 저감을 도모하기 위해, 슬릿의 일부에 곡부를 마련하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 슬릿의 곡부의 구성에 대해서, 전해액의 방열성의 향상 및 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 억제를 도모하는 관점에서, 반드시 충분한 검토가 행해져 있는 것은 아니었다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적의 하나는, 레독스 플로우 전지용 셀의 프레임에 있어서, 슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있으면서, 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있는 프레임을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일양태에 따른 프레임은, 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임으로서, 상기 프레임의 내측에 형성된 개구와, 전해액이 유통되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에서 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿을 구비한다. 상기 슬릿은, 적어도 하나의 곡부를 가지며, 적어도 하나의 상기 곡부의 곡률 반경이 2.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하이다.
본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지용 셀 프레임은, 상기 본 발명의 일양태에 따른 프레임과, 상기 프레임의 개구에 감입되는 쌍극판을 구비하고, 상기 프레임 및 상기 쌍극판에 의해 상기 프레임의 내측에 챔버가 형성되어 있다.
본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지는, 상기 본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지용 셀 프레임을 구비한다.
상기 프레임은, 슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있으면서, 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있다. 상기 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지는, 셀을 구성하는 프레임에 마련된 슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있으면서, 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 따른 프레임의 개략 정면도이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 프레임을 구비하는 셀 프레임의 개략 정면도이다.
도 3은 실시형태 1에 따른 프레임에 있어서의 슬릿의 단면 형상을 나타내는 개략 확대 단면도이다.
도 4는 실시형태 2에 따른 프레임의 개략 정면도이다.
도 5는 실시형태 3에 따른 프레임의 개략 정면도이다.
도 6은 시산예 1의 평가에 이용한 슬릿의 모델도이다.
도 7은 시산예 1에 있어서 곡부의 왜곡량을 산출하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 시산예 2의 평가에 이용한 슬릿의 모델도이다.
도 9는 레독스 플로우 전지의 동작 원리도이다.
도 10은 셀 스택의 개략 구성도이다.
[본 발명의 실시형태의 설명]
본 발명자들은 프레임에 마련된 곡부를 갖는 슬릿에 관해서, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있는 곡부의 구성, 특히, 곡부의 곡률 반경에 대해서 검토를 시도하였다. 그리고, 이하와 같은 지견을 얻었다.
션트 전류에 의한 발열에 의해 슬릿 내의 전해액의 온도가 상승한 경우, 전해액의 열은 전해액이 접하는 슬릿의 벽면으로부터 방열되어, 냉각된다. 즉, 전해액으로부터 슬릿 벽면을 통해 프레임으로 열이 이동함으로써, 전해액의 방열이 행해진다. 슬릿의 곡부의 곡률 반경이 작은 경우, 프레임 평면에 있어서의 곡부의 형성 영역이 작기 때문에, 곡부 형성 부분에 있어서 전해액의 열을 프레임에 내보내기 어려워, 열이 차기 쉽다. 구체적으로는, 프레임의 슬릿 형성 부분 중 곡부 형성 부분에 있어서, 곡부의 곡률 반경의 중심과 곡부의 일단 및 타단을 각각 연결하는 2개의 선분과, 곡부를 따른 곡선으로 둘러싸이는 형성 영역의 면적(체적)이 작아, 열 용량이 작기 때문에, 전해액으로부터의 방열에 의해 온도가 빠르게 상승한다. 그 때문에, 슬릿의 곡부의 곡률 반경이 작은 경우는, 전해액으로부터 프레임에의 방열이 충분히 진행되지 않아, 곡부 형성 부분에서 열이 차기 쉽다. 따라서, 슬릿의 곡부에 있어서, 전해액의 온도가 상승하기 쉽기 때문에, 전해액 성분이 석출하거나, 프레임이 연화하는 등의 악영향이 생기기 쉽다.
한편, 슬릿의 곡부의 곡률 반경이 큰 경우, 프레임에 액압이나 열 팽창에 기인하여 인장 응력이 작용하였을 때에, 슬릿의 곡부에 있어서 법선 방향(슬릿의 폭 방향)에 작용하는 힘의 성분이 커진다. 구체적으로는, 프레임을 구성하는 부재의 일방향(예, 길이 방향)에 응력이 작용한 경우, 슬릿의 곡부에서는 법선 방향과 접선 방향의 힘의 성분으로 분해된다. 프레임의 슬릿 형성 부분은, 슬릿의 폭 방향의 힘에 대하여 왜곡이 생기기 쉽기 때문에, 슬릿의 곡부의 곡률 반경이 큰 경우는, 곡부 형성 부분에 있어서 왜곡이 생기기 쉬우며, 크랙이 발생하기 쉽다.
본 발명자들은, 전술한 지견에 기초하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 우선 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.
(1) 본 발명의 일양태에 따른 프레임은, 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임으로서, 상기 프레임의 내측에 형성된 개구와, 전해액이 유통하는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에서 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿을 구비한다. 상기 슬릿은, 적어도 하나의 곡부를 가지며, 적어도 하나의 상기 곡부의 곡률 반경이 2.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하이다.
상기 프레임에 따르면, 슬릿이 적어도 하나의 곡부를 가짐으로써, 직선형의 슬릿과 비교하여, 슬릿의 길이를 길게 할 수 있어, 슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있다. 또한, 곡부의 곡률 반경이 상기 범위를 만족시킴으로써, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 곡부의 곡률 반경이 2.0 ㎜ 이상임으로써, 프레임 평면에 있어서의 곡부의 형성 영역이 크고, 곡부 형성 부분에 있어서 전해액의 열을 프레임에 내보내기 쉽기 때문에, 열이 차기 어렵다. 따라서, 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 전해액 성분의 석출을 억제하거나, 프레임의 연화, 변형을 억제할 수 있다.
한편, 곡부의 곡률 반경이 200 ㎜ 이하임으로써, 프레임에 액압이나 열 팽창에 기인하여 인장 응력이 작용하였을 때에, 슬릿의 곡부에 있어서 법선 방향(슬릿의 폭 방향)과 접선 방향으로 힘이 분산되기 때문에, 곡부 형성 부분에 있어서 슬릿의 폭 방향에 작용하는 응력이 작아진다. 따라서, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있으며, 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 곡부의 곡률 반경은, 예컨대 10 ㎜ 이상 60 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
(2) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 슬릿은, 상기 곡부 중, 가장 상기 개구측에 위치하는 곡부와 상기 개구 사이에, 곡률 반경이 200 ㎜ 초과인 접속부를 갖는 것을 들 수 있다.
매니폴드로부터 슬릿을 통하여 챔버에 전해액이 도입될 때, 곡부를 통과함으로써 전해액에는 원심력(관성)이 작용하게 된다. 이 관성에 의해, 챔버에 도입되는 전해액이 흐름에 혼란이 생김으로써, 챔버 내에 있어서의 전해액의 유량 분포가 불균일해질 우려가 있다. 상기 형태에 따르면, 곡부와 챔버가 되는 개구 사이에 곡률 반경이 200 ㎜ 초과(즉, 곡률이 1/200 미만)인 접속부를 가짐으로써, 전해액이 곡부를 통과할 때에 받은 관성을 완화할 수 있어, 챔버에 도입되는 전해액의 흐름의 혼란을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 접속부에 의해, 챔버에 도입되는 전해액의 흐름의 혼란을 억제하는 정류 효과가 얻어진다. 챔버 내에 있어서의 전해액의 유량 분포를 균일화할 수 있다.
(3) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 접속부의 길이가 5.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하인 것을 들 수 있다.
상기 형태에 따르면, 접속부의 길이가 5.0 ㎜ 이상임으로써, 챔버에 도입되는 전해액의 흐름의 혼란을 효과적으로 억제할 수 있어, 높은 정류 효과가 얻어진다. 한편, 접속부의 길이가 200 ㎜ 이하임으로써, 프레임에 액압이나 열 팽창에 기인하여 인장 응력이 작용하였을 때에, 슬릿의 접속부에 있어서 전체에 작용하는 응력이 작아진다. 그 때문에, 접속부 형성 부분에 있어서 왜곡의 발생을 억제할 수 있으며, 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 접속부의 길이는, 예컨대 10 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
(4) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 슬릿의 깊이가 0.5 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하인 것을 들 수 있다.
슬릿의 단면적이 클수록, 전해액이 유통될 때의 압력 손실이 작아진다. 상기 형태에 따르면, 슬릿의 깊이가 0.5 ㎜ 이상임으로써, 슬릿의 폭을 일정하게 한 경우, 단면적을 크게 할 수 있어, 압력 손실을 저감할 수 있다. 또한, 전해액의 유량이 일정한 경우, 단면적이 클수록, 전해액의 유속이 늦어지기 때문에, 전해액이 곡부를 통과할 때의 원심력이 작아짐으로써, 정류 효과가 향상된다. 한편, 슬릿의 깊이가 10 ㎜ 이하임으로써, 프레임의 슬릿 형성 부분에 있어서 두께가 얇아지는 것에 따른 강도 저하를 억제할 수 있어, 액압이나 열 팽창에 기인하는 왜곡이나 크랙의 발생을 보다 억제할 수 있다. 또한, 슬릿의 깊이가 10 ㎜ 이하임으로써, 슬릿에 작용하는 응력이 작아져, 왜곡량을 저감하고 쉽다. 슬릿의 깊이는, 예컨대 1.0 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 「슬릿의 깊이」란, 슬릿 단면에 있어서, 슬릿의 개구부로부터 바닥부까지의 수직 방향(즉, 프레임의 두께 방향)의 길이를 의미한다. 「슬릿의 폭」이란, 슬릿 단면에 있어서의 개구부의 폭을 의미한다.
(5) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 슬릿의 폭이 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하인 것을 들 수 있다.
상기 형태에 따르면, 슬릿의 폭이 0.5 ㎜ 이상임으로써, 슬릿의 깊이를 일정하게 한 경우, 단면적이 커져, 압력 손실을 저감할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 단면적이 클수록, 정류 효과가 향상된다. 한편, 슬릿의 폭이 20 ㎜ 이하임으로써, 프레임의 슬릿 형성 부분에 있어서의 강도 저하를 억제할 수 있어, 액압이나 열 팽창에 기인하는 왜곡이나 크랙의 발생을 보다 억제할 수 있다. 또한, 슬릿의 폭이 20 ㎜ 이하임으로써, 슬릿 내의 전해액의 발열량을 억제할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제하기 쉽다. 그 외, 슬릿의 폭을 20 ㎜ 이하로 함으로써, 프레임의 슬릿 형성 부분을 작게 할 수 있기 때문에, 프레임, 나아가서는 셀 프레임을 소형화할 수 있다. 슬릿의 폭은, 예컨대 1.0 ㎜ 이상 8.0 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
(6) 상기 프레임의 일형태로서, 서로 대향하는 한쌍의 장편과, 상기 장편의 단부끼리를 연결하는 한쌍의 단편을 가지고, 상기 장편에, 적어도 하나의 상기 곡부가 형성되어 있는 것을 들 수 있다.
프레임의 장편에 슬릿의 곡부를 형성한 경우, 단편에 형성한 경우와 비교하여, 곡부로부터 이 곡부가 형성된 부재(이하, 곡부 형성 부재라고 부름)의 일단 또는 타단까지의 거리를 길게 할 수 있다. 이 거리가 길수록, 곡부로부터 곡부 형성 부재의 일단 또는 타단까지 존재하는 프레임의 형성 재료가 많아지기 때문에, 액압이나 열 팽창에 기인하여 곡부 형성 부재의 길이 방향에 응력이 작용하였을 때에 왜곡이 생기기 어려우며, 크랙의 발생이 억제된다. 따라서, 상기 형태에 따르면, 슬릿 형성 부분(특히 곡부 형성 부분)에서의 왜곡이나 크랙의 발생을 보다 억제할 수 있다.
(7) 상기 프레임의 일형태로서, 서로 대향하는 한쌍의 장편과, 상기 장편의 단부끼리를 연결하는 한쌍의 단편을 가지고, 상기 장편과 상기 단편이 교차하는 코너부에, 적어도 하나의 상기 곡부가 형성되어 있는 것을 들 수 있다.
프레임의 장편과 단편이 교차하는 코너부는, 강도가 강하여, 변형되기 어렵다. 따라서, 프레임의 코너부에 슬릿의 곡부를 형성한 경우, 액압이나 열 팽창에 기인하여 프레임을 구성하는 부재에 응력이 작용하였을 때에 왜곡이 생기기 어려우며, 크랙의 발생이 억제된다. 따라서, 상기 형태에 따르면, 슬릿 형성 부분(특히 곡부 형성 부분)에서의 왜곡이나 크랙의 발생을 보다 억제할 수 있다.
(8) 본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지용 셀 프레임은, 상기 (1)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 프레임과, 상기 프레임의 개구에 감입되는 쌍극판을 구비하고, 상기 프레임 및 상기 쌍극판에 의해 상기 프레임의 내측에 챔버가 형성되어 있다.
상기 셀 프레임에 따르면, 본 발명의 일양태에 따른 상기 프레임을 구비함으로써, 레독스 플로우 전지의 셀을 구성하는 프레임에 있어서, 슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있으면서, 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있다.
(9) 본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지는, 상기 (8)에 기재된 레독스 플로우 전지용 셀 프레임을 구비한다.
상기 레독스 플로우 전지에 따르면, 본 발명의 일양태에 따른 상기 셀 프레임을 구비함으로써, 셀을 구성하는 프레임에 있어서, 슬릿 내의 전해액을 통한 션트 전류 손실을 저감할 수 있으면서, 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있다.
[본 발명의 실시형태의 상세]
본 발명의 실시형태에 따른 프레임 및 레독스 플로우 전지용 셀 프레임의 구체예를, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 도면 중의 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타낸다. 또한, 본 발명은 이들 예시에 한정되는 것이 아니며, 특허청구의 범위에 의해 나타내며, 특허청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
[실시형태 1]
〈프레임〉
도 1∼도 3을 참조하여, 실시형태 1에 따른 프레임 및 셀 프레임에 대해서 설명한다. 도 1에 예시하는 프레임(22)은, 서로 대향하는 한쌍의 장편(22L)과, 장편(22L)의 단부끼리를 연결하는 한쌍의 단편(22S)을 갖는 직사각 프레임형이며, 그 내측에 개구(22o)가 형성되어 있다. 이 개구(22o)에는, 후술하는 쌍극판(21)이 감입된다. 프레임(22)은, 예컨대 염화비닐 수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 불소 수지, 에폭시 수지 등의 플라스틱이나 고무로 형성하는 것을 들 수 있다.
프레임(22)은, 그 표리를 관통하여, 전해액이 유통하는 매니폴드(200)[매니폴드(201∼204)]와, 그 표면에 형성되어, 매니폴드(200)와 개구(22o) 사이에서 전해액의 유로를 형성하는 슬릿(210)[슬릿(211∼214)]을 구비한다. 매니폴드(200) 및 슬릿(210)은, 예컨대, 프레임(22)을 사출 성형에 의해 형성할 때에 동시에 형성할 수 있다.
(매니폴드·슬릿)
매니폴드(201, 202)는 프레임(22)의 한쪽의 장편(22L)(도 1에서는 하측의 장편)에 형성되고, 매니폴드(203, 204)는 프레임(22)의 다른쪽의 장편(22L)(도 1에서는 상측의 장편)에 형성되어 있다. 슬릿(211, 213)은 프레임(22)의 일면측에 형성되어 있고, 슬릿(211)은 한쪽의 장편(22L)에 형성되며, 슬릿(213)은 다른쪽의 장편(22L)에 형성되어 있다. 슬릿(212, 214)은 프레임(22)의 타면측에 형성되어 있고, 슬릿(212)은 한쪽의 장편(22L)에 형성되며, 슬릿(214)은 다른쪽의 장편(22L)에 형성되어 있다. 각 슬릿(211∼214)의 일단은 각각 각 매니폴드(201∼204)에 연결되고, 타단은 개구(22o)에 연결되어 있으며, 각 슬릿(211∼214)은 각각, 각 매니폴드(201∼204)와 프레임(22)의 내측에 형성된 개구(22o)를 접속한다.
〈셀 프레임〉
도 2를 참조하여, 도 1에 나타내는 실시형태 1에 따른 프레임을 구비하는 셀 프레임에 대해서 설명한다. 도 2에 예시하는 셀 프레임(20)은, 프레임(22)과, 프레임(22)의 개구(22o)(도 1 참조)에 감입되는 쌍극판(21)을 구비한다. 셀 프레임(20)은, 쌍극판(21)의 둘레 가장자리부를 표리로부터 사이에 끼우도록 프레임(22)이 형성되고, 쌍극판(21)의 외주에 프레임(22)이 사출 성형 등에 의해 일체화되어 있다. 프레임(22)의 개구(22o)에 쌍극판(21)이 감입됨으로써, 프레임(22) 및 쌍극판(21)에 의해 오목부[챔버(24)]가 형성된다. 구체적으로는, 셀 프레임(20)은, 프레임(22)의 내주면 및 쌍극판(21)의 표면에 의해 프레임(22)의 내측에 전극(도시하지 않음)이 수납되는 챔버(24)가 형성되어 있다. 도 2에서는, 셀 프레임(20)의 일면측(지면 표면측)의 챔버(24)만 도시하고 있지만, 타면측(지면 이면측)에도 챔버가 형성되어 있다. 셀 프레임(20)의 일면측의 챔버에 정극 전극, 타면측의 챔버에 부극 전극이 수납되고, 쌍극판(21)의 일면측에 정극 전극, 타면측에 부극 전극이 배치된다(도 10 참조). 쌍극판(21)에는, 플라스틱 카본제의 것을 이용할 수 있다.
도 2에 예시하는 셀 프레임(20)[프레임(22)]의 경우, 매니폴드(201 및 203)가 정극 전해액용의 급액 매니폴드 및 배액 매니폴드이고, 슬릿(211 및 213)이 정극 전해액용의 급액 슬릿 및 배액 슬릿이다. 매니폴드(202 및 204)가 부극 전해액용의 급액 매니폴드 및 배액 매니폴드이고, 슬릿(212 및 214)이 부극 전해액용의 급액 슬릿 및 배액 슬릿이다. 각 급액 매니폴드(201, 202)로부터 연장되는 각 급액 슬릿(211, 212)이 챔버(24)[개구(22o)(도 1 참조)]의 하측 가장자리부에 연결되어 있고, 각 배액 매니폴드(203, 204)로부터 연장되는 각 배액 슬릿(213, 214)이 챔버(24)[개구(22o)]의 상측 가장자리부에 연결되어 있다. 즉, 챔버(24)의 하측으로부터 챔버(24) 내에 전해액이 도입되고, 챔버(24)의 상측으로부터 전해액이 배출된다. 챔버(24)의 하측 가장자리부 및 상측 가장자리부에는, 가장자리부를 따라 정류부(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 정류부는, 급액 슬릿(211, 212)으로부터 도입된 전해액을 챔버(24)의 하측 가장자리부를 따라 확산시키거나, 챔버(24)의 상측 가장자리부로부터 배출되는 전해액을 배액 슬릿(213, 214)에 집약하는 기능을 갖는다. 이 정류부에 의해, 챔버(24)의 하측 가장자리부로부터 상측 가장자리부를 향하여 챔버(24) 내를 전해액이 유통되도록 되어 있다.
정부의 전해액에는, 공지의 전해액을 이용할 수 있다. 예컨대, 정부의 전해액으로서는, 정극 및 부극의 활물질로서 V 이온을 함유하는 V계 전해액, 정극 활물질로서 Fe 이온, 부극 활물질로서 Cr 이온을 함유하는 Fe/Cr계 전해액의 조합, 정극 활물질로서 Mn 이온, 부극 활물질로서 Ti 이온을 함유하는 Ti/Mn계 전해액 등을 들 수 있다.
(보호판)
셀 프레임(20)에는, 프레임(22)의 슬릿(211∼214)이 형성된 부분에, 이온 교환막(도 10 참조)을 보호하는 플라스틱제의 보호판(40)이 배치되어 있어도 좋다. 보호판(40)은, 각 슬릿(211∼214)을 덮도록 프레임(22)의 장편(22L)의 표면에 각각 배치되고, 각 보호판(40)에는, 각 매니폴드(201∼204)에 대응하는 위치에 관통 구멍 또는 절결이 형성되어 있다. 도 2에 예시하는 보호판(40)의 경우, 정극 전해액용의 슬릿(211, 213)이 형성된 프레임(22)의 일면측에 배치되는 보호판(40)에 대해서는, 정극 전해액용의 매니폴드(201, 203)에 대하여 원 형상의 관통 구멍이 형성되고, 부극 전해액용의 매니폴드(202, 204)에 대해서는 직사각 형상의 절결이 형성되어 있다. 반대로, 부극 전해액용의 슬릿(212, 214)이 형성된 프레임(22)의 타면측에 배치되는 보호판(40)에서는, 정극 전해액용의 매니폴드(201, 203)에 대하여 직사각 형상의 절결이 형성되고, 부극 전해액용의 매니폴드(202, 204)에 대해서는 원 형상의 관통 구멍이 형성되어 있다. 셀 프레임(20)을 이용하여 레독스 플로우 전지의 셀(도 10 참조)을 구성하였을 때, 이 보호판(40)에 의해, 각 슬릿(211∼214)이 이온 교환막에 접촉하는 일이 없어져, 슬릿의 요철에 의해 이온 교환막이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 도 2에서는, 프레임(22)의 일면측에 형성된 슬릿(211, 213)을 덮는 보호판(40)만 도시하고 있지만, 프레임(22)의 타면측에도 보호판이 배치되어 있고, 슬릿(212, 214)이 보호판으로 덮어져 있다.
(슬릿의 평면 형상)
도 1의 둥근 테두리 도면은, 실시형태 1에 따른 프레임에 있어서의 슬릿[210(211)]의 확대 평면도이다. 도 1에서는, 대표하여 슬릿(211)의 평면 형상을 나타내고 있다. 또한, 도 3은 슬릿(210)의 단면 형상을 나타내고 있고, 도 1의 둥근 테두리 도면에 있어서의 III-III선을 따르는 개략 확대 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 슬릿(210)은, 적어도 하나의 곡부(35)를 갖는다. 이하, 도 1, 도 3을 참조하여, 실시형태 1의 슬릿(210)의 평면 형상에 대해서, 보다 자세하게 설명한다.
실시형태 1의 슬릿[210(211)]은, 하나의 곡부(35)와, 곡부(35)와 개구(22o)[도 2에 나타내는 셀 프레임(20)에 있어서의 챔버(24)] 사이에 접속부(36)를 갖는다. 구체적으로는, 실시형태 1의 슬릿(210)은, 도 1에 나타내는 바와 같이 L자형으로 형성되어 있고, 매니폴드[200(201)]로부터 프레임(22)의 장편(22L)의 길이 방향(도 1에서는 좌측 방향)으로 연장되는 직선부와, 이 직선부에 연결되는 곡부(35)와, 장편(22L)의 폭 방향(길이 방향과 직교하는 방향)으로 연장되는 접속부(36)로 구성되어 있다.
(곡부)
곡부(35)는, 곡률 반경(r)이 2.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하이다. 도 1에 나타내는 실시형태 1의 슬릿(210)에서는, 곡부(35)가 원호형이며, 곡부(35)의 중심각(θ)이 대략 직각(90°)이다. 「곡부의 중심각」이란, 곡부의 곡률 반경의 중심과 곡부의 일단 및 타단을 각각 연결하는 2개의 선분이 이루는 각도를 의미한다. 곡부(35)의 곡률 반경(r)은 10 ㎜ 이상 60 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
(접속부)
접속부(36)는, 곡률 반경이 200 ㎜ 초과(곡률이 1/200 미만)이며, 직선형(곡률이 0)의 경우도 포함한다. 도 1에 나타내는 슬릿(210)에서는, 접속부(36)가 직선형이다. 접속부(36)의 길이(a)는 5.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 10 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.
(슬릿의 단면 형상)
슬릿(210)의 단면 형상은, 도 3에 나타내는 바와 같이 직사각 형상이다. 슬릿(210)의 단면 형상은, 직사각 형상에 한정되는 것이 아니며, 예컨대, 등각 사다리꼴 형상 등의 사각 형상, 이등변 삼각 형상 등의 삼각 형상, 반원 형상이나 반타원 형상 등이어도 좋다. 구체적으로는, 슬릿 단면에 있어서, 개구부를 장변, 바닥부를 단변으로 하는 사다리꼴 형상이나, 바닥부를 정점으로 하고, 개구부를 저변으로 하는 삼각 형상 등, 개구부측 쪽이 바닥부측보다 폭이 넓은 형상인 것을 들 수 있다. 또한, 슬릿 단면의 코너부가 모따기되어 있어도 좋고, 코너부가 곡면형으로 형성되어 있어도 좋다.
(깊이·폭)
슬릿(210)의 깊이(h)는, 예컨대 0.5 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하, 더욱 1.0 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 슬릿(210)의 폭(w)은, 예컨대 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하, 더욱 1.0 ㎜ 이상 8.0 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
{작용 효과}
실시형태 1에 따른 프레임(22)[셀 프레임(20)]은, 슬릿(210)의 일부에 곡부(35)를 가짐으로써, 1개의 직선형의 슬릿을 형성하는 경우와 비교하여, 슬릿 길이를 길게 할 수 있어, 션트 전류 손실을 저감할 수 있다. 또한, 곡부(35)의 곡률 반경(r)이 2.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하임으로써, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있으며, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 곡부(35)의 곡률 반경(r)이 2.0 ㎜ 이상임으로써, 프레임(22)[장변(22L)]의 평면에 있어서의 곡부(35)의 형성 영역(도 1의 둥근 테두리 도면에 있어서의 해칭을 한 영역)을 크게 할 수 있어, 곡부(35)의 형성 부분에서의 열 용량이 커진다. 따라서, 곡부 형성 부분에 있어서 전해액으로부터의 방열량을 늘릴 수 있어, 열이 차기 어렵다. 따라서, 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있기 때문에, 전해액 성분의 석출을 억제하거나, 프레임의 연화, 변형을 억제할 수 있다.
한편, 곡부(35)의 곡률 반경(r)이 200 ㎜ 이하임으로써, 프레임(22)에 액압이나 열 팽창에 기인하여 인장 응력이 작용하였을 때에, 슬릿(210)의 곡부(35)에 있어서 법선 방향(슬릿의 폭 방향)에 작용하는 힘의 성분이 작아진다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 프레임(22)의 경우, 예컨대 장변(22L)의 길이 방향에 응력이 작용하였을 때에, 곡부(35)에 있어서 법선 방향과 접선 방향으로 힘이 분산되어, 곡부 형성 부분[곡부(35)의 슬릿의 양측 근방]에 있어서 슬릿의 폭 방향에 작용하는 응력이 작아진다. 따라서, 슬릿 형성 부분에서의 왜곡의 발생을 억제할 수 있으며, 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 슬릿(210)[급액 슬릿(211)]이 접속부(36)를 가짐으로써, 전해액이 곡부(35)를 통과할 때에 받은 관성을 완화하여, 챔버(24)에 도입되는 전해액의 흐름의 혼란을 억제할 수 있다.
특히, 접속부(36)의 길이(a)가 5.0 ㎜ 이상임으로써, 챔버(24)에 도입되는 전해액의 흐름의 혼란을 효과적으로 억제할 수 있어, 높은 정류 효과를 얻을 수 있다. 한편, 접속부(36)의 길이(a)가 200 ㎜ 이하임으로써, 인장 응력이 작용하였을 때에, 접속부(36)의 슬릿의 양측 근방에 있어서 작용하는 합계의 응력을 작게 할 수 있다. 따라서, 접속부(36)의 형성 부분에 있어서 왜곡의 발생을 억제할 수 있으며, 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 슬릿(210)의 깊이(h)가 0.5 ㎜ 이상임으로써, 폭(w)을 일정하게 한 경우, 단면적을 크게 할 수 있어, 압력 손실을 저감할 수 있다. 또한, 슬릿(210)의 폭(w)이 0.5 ㎜ 이상임으로써, 깊이(h)를 일정하게 한 경우, 단면적을 크게 할 수 있어, 압력 손실을 저감할 수 있다. 압력 손실을 저감함으로써, 전해액이 곡부(35)를 통과할 때에 받는 관성이 작아지기 때문에, 접속부(36)에 의한 정류 효과를 향상시킬 수 있다. 슬릿(210)의 깊이(h)가 10 ㎜ 이하, 슬릿(210)의 폭(w)이 20 ㎜ 이하임으로써, 프레임(22)의 슬릿 형성 부분에 있어서의 강도 저하를 억제할 수 있어, 액압이나 열 팽창에 기인하는 왜곡이나 크랙의 발생을 보다 억제할 수 있다.
다음에, 도 4∼도 5에 기초하여, 슬릿(210)의 평면 형상의 다른 형태예를 설명한다. 이하에서는, 슬릿(210)에 대해서, 전술한 실시형태 1과 동일한 구성에는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략하며, 실시형태 1과의 상위점을 중심으로 설명한다.
[실시형태 2]
도 1에 나타내는 실시형태 1에서는, 프레임(22)의 장편(22L)에 슬릿(210)의 곡부(35)가 형성되어 있는 형태를 예로 들어 설명하였다. 도 4에 나타내는 실시형태 2에서는, 장편(22L)과 단편(22S)이 교차하는 프레임(22)의 코너부(22C)에 곡부(35)가 형성되어 있다.
도 4에 나타내는 실시형태 2의 슬릿(210)은, J자형으로 형성되어 있고, 곡부(35)가 반원호형이며, 곡부(35)의 중심각이 대략 180°이다. 또한, 도 4에 나타내는 실시형태 2의 경우, 급액 슬릿(211, 212)의 접속부(36)가 개구(22o)의 측 가장자리부의 하단부에 연결되어 있고, 배액 슬릿(213, 214)의 접속부(36)가 개구(22o)의 측 가장자리부의 상단부에 연결되어 있다.
프레임(22)의 코너부(22C)는, 액압이나 열 팽창에 기인하는 인장 응력에 대하여 변형되기 어렵다. 실시형태 2로서는, 코너부(22C)에 슬릿(210)의 곡부(35)가 형성되어 있기 때문에, 곡부 형성 부분에 있어서 왜곡이 생기기 어렵다.
[실시형태 3]
도 1에 나타내는 실시형태 1에서는, 슬릿(210)이 하나의 곡부(35)를 갖는 형태를 예로 들어 설명하였지만, 곡부(35)의 수는 복수여도 좋다. 도 5에 나타내는 실시형태 3에서는, 슬릿(210)이 복수의 곡부(35)를 갖는 형태를 설명한다.
도 5에 나타내는 실시형태 3의 슬릿(210)은, 복수의 곡부(35)를 가지고, 곡부(35) 중, 가장 개구(22o)측에 위치하는 곡부(35c)와 개구(22o) 사이에 접속부(36)를 갖는다. 슬릿(210)이 복수의 곡부(35)를 가짐으로써, 슬릿 길이를 보다 길게 할 수 있어, 션트 전류 손실을 보다 저감할 수 있다. 곡부(35)의 중심각으로서는, 예컨대 60°이상 300°이하, 더욱 80°이상 280°이하인 것을 들 수 있다.
이상 설명한 실시형태에 따른 셀 프레임을 구비하는 레독스 플로우 전지에 대해서 설명한다. 셀 프레임을 레독스 플로우 전지에 적용하는 경우는, 셀 프레임과, 정극 전극과, 이온 교환막과, 부극 전극을 각각 복수 적층하여 이루어지는 셀 스택(도 10 참조)의 형태로 이용된다. 그리고, 레독스 플로우 전지는, 이 셀 스택을 구비하는 구성으로 하는 것을 들 수 있다.
[시산예 1]
슬릿에 있어서의 곡부의 곡률 반경을 변화시켰을 때의 방열 성능 및 왜곡량을 평가하였다. 평가 조건을 다음에 나타낸다.
시산예 1에서는, 도 6에 나타내는 바와 같은, 곡부(35)를 갖는 슬릿(210)의 모델을 이용하여, 곡부(35)의 곡률 반경(r)을 1.0 ㎜∼300 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의, 곡부(35)에서의 방열 성능 및 왜곡량을 해석하여 평가하였다. 슬릿(210)의 곡부(35)의 평면 형상은, 1/4 원호형[중심각(θ)=90°]으로 하였다. 또한, 슬릿(210)의 단면 형상은, 직사각 형상으로, 깊이(h)를 1 ㎜, 폭(w)을 4 ㎜로 하였다.
(방열 성능)
방열 성능은, 곡부(35) 내의 전해액의 발열량과 프레임(22)에 있어서의 곡부(35)의 형성 부분의 열 용량의 비[후술하는 온도 상승 속도(ΔT)]로 평가하였다. 곡부(35) 내의 전해액의 발열량(Q) 및 곡부(35)의 형성 부분의 열 용량(C)은, 다음과 같이 하여 구하였다.
(전해액의 발열량)
발열량[Q(W)]은, 곡부(35) 내의 전해액의 전기 저항[R(Ω)]과 슬릿간 전압[v(V)]으로부터 구한다. 전기 저항(R)은, 전해액의 저항률을 ρ(Ω·㎝)로 하여, 다음 식에 따라 산출한다.
[식 1] R=ρ×(πr/2)×(1/wh)
그리고, 발열량(Q)은 다음 식에 따라 산출한다.
[식 2] Q=v2/R=v2×(2wh/ρπr)
상기 계산식에 이용하는 저항률(ρ)은, RF 전지의 전해액으로서 사용되는 V계 전해액의 저항률로부터 3.82 Ω·㎝로 한다. 슬릿간 전압(v)은, 일반적인 RF 전지의 단셀을 30셀 적층한 전압으로부터 10.5 V로 한다.
(곡부 형성 부분의 열 용량)
열 용량[C(J/℃)]은, 프레임(22)의 비열 용량[Cp(J/㎤·℃)]과 곡부 형성 부분의 체적[V(㎤)]으로부터 구한다. 비열 용량(Cp)은, 프레임(22)의 비열[c(J/㎏·℃)]과 비중[d(g/㎤)]으로부터 다음 식에 따라 산출한다.
[식 3] Cp=c×d
체적(V)은, 프레임(22)에 있어서의 곡부(35)의 형성 영역(도 6의 크로스 해칭으로 나타내는 영역)에서의 체적으로 하여, 다음 식에 따라 산출한다. 프레임(22)의 두께(t)는 5 ㎜로 한다.
[식 4] V=(πr2/4)×t
그리고, 열 용량(C)은 다음 식에 따라 산출한다.
[식 5] C=Cp×V=Cp×(πr2t/4)
상기 계산식에 이용하는 비열(c) 및 비중(d)은, 프레임(22)이 염화비닐 수지로 형성되어 있는 경우를 상정하여, 비열(c)을 840 J/㎏·℃, 비중(d)을 1.4 g/㎤로 한다.
(온도 상승 속도)
상기 계산식을 이용하여 산출한 발열량[Q(W)]과 열 용량[C(J/℃)]으로부터, 다음 식에 따라 온도 상승 속도[ΔT(℃/s)]를 산출한다.
[식 6] ΔT=Q/C=(v2×2wh/ρπr)/(Cp×(πr2t/4))=(v2×2wh×4)/(ρπr×Cp×πr2t)=(8v2/ρπ2Cp)×(wh/r3t)
〈방열 성능의 평가〉
곡부(35)의 곡률 반경(r)을 1.0 ㎜∼300 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 온도 상승 속도[ΔT(℃/s)]를 산출하고, 이것에 기초하여 방열 성능을 평가하였다. 온도 상승 속도(ΔT)가 작을수록, 방열 성능이 높은 것을 의미한다. 방열 성능의 평가는, 온도 상승 속도(ΔT)의 값이 10(℃/s) 이하인 경우를 「A」, 500(℃/s) 이하의 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 온도 상승 속도(ΔT)의 값과 방열 성능의 평가를 표 1에 나타낸다.
(왜곡량)
왜곡량은, 곡부(35)의 형성 부분에 가해지는 액압에 의한 총하중(P)으로 평가하였다. 하중[P(N)]은, 도 7에 나타내는 바와 같이, XY 평면 상에서의 곡부(35)의 중심각(dθ)의 미소 구간에 가해지는 단위 액압[p(N/㎜)]에 의한 하중을 0≤θ≤π/2의 범위로 적분함으로써 구하였다. 이 경우, 하중(P)을 도 7에 나타내는 X 방향과 Y 방향으로 나누어 생각하면, 다음 식에 따라, 하중(P)은 단위 액압(p)과 곡률 반경(r)의 곱으로서 나타낼 수 있다.
[식 7]
(X 방향) P=∫(p×r·cosθdθ)=p×r
(Y 방향) P=∫(p×r·sinθdθ)=p×r
단위 액압[p(N/㎜)]은, 액압[σ(㎫)]과 슬릿 깊이[h(㎜)]의 곱으로서, 다음 식으로 주어진다. 액압(σ)은 0.5 ㎫로 한다.
[식 8] p=σ×h
(하중)
다음 식에 따라 곡부(35)에서의 하중[P(N)]을 산출하고, 이 하중(P)을 Pr로 한다.
[식 9] P=p×r=σ×h×r
〈왜곡량의 평가〉
곡부(35)의 곡률 반경(r)을 1.0 ㎜∼300 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 하중[Pr(N)]을 산출하고, 이것에 기초하여 왜곡량을 평가하였다. 하중(Pr)이 작을수록, 곡부(35)에서의 왜곡량이 작은 것을 의미한다. 왜곡량의 평가는, 하중(Pr)의 값이 50(N) 이하인 경우를 「A」, 100(N) 이하인 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 하중(Pr)의 값과 왜곡량의 평가를 표 1에 나타낸다.
〈종합 평가〉
표 1에 나타내는 각 곡률 반경의 곡부에 대해서, 방열 성능 및 왜곡량의 평가에 기초하여 종합 평가를 행하였다. 종합 평가는, 방열 성능 및 왜곡량의 모든 평가가 「A」인(「B」, 「C」가 없음) 경우를 「A」, 적어도 하나의 평가가 「B」이며, 「C」가 없는 경우를 「B」, 적어도 하나의 평가가 「C」인 경우를 「C」로 하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에 나타내는 시산예 1의 결과로부터, 곡부의 곡률 반경(r)이 클수록, 온도 상승 속도(ΔT)의 값이 작으며, 방열 성능이 높아지고, 곡률 반경(r)이 작을수록, 하중(Pr)의 값이 작으며, 왜곡량이 작아지는 것을 알 수 있다. 그리고, 곡률 반경(r)이 2.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하인 경우, 방열성의 개선과 왜곡량의 저감을 양립할 수 있다고 생각된다. 특히, 곡률 반경(r)이 10 ㎜ 이상 60 ㎜ 이하인 경우, 방열성의 개선과 왜곡량의 저감을 높은 레벨로 양립할 수 있다.
[시산예 2]
슬릿에 있어서의 접속부의 길이를 변화시켰을 때의 정류 효과 및 왜곡량을 평가하였다. 평가 조건을 다음에 나타낸다.
시산예 2에서는, 도 8에 나타내는 바와 같은, 곡부(35)와 접속부(36)를 갖는 슬릿(210)의 모델을 이용하여, 접속부(36)의 길이(a)를 1.0 ㎜∼300 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의, 접속부(36)에서의 정류 효과 및 왜곡량을 해석하여 평가하였다. 슬릿(210)의 곡부(35)의 평면 형상은, 1/4 원호형[중심각(θ)=90°]으로 곡률 반경(r)을 50 ㎜로 하고, 접속부(36)는 직선형으로 하였다. 또한, 슬릿(210)의 단면 형상은, 직사각 형상으로, 깊이(h)를 1 ㎜, 폭(w)을 4 ㎜로 하였다.
(정류 효과)
정류 효과는, 곡부(35)를 통과하는 전해액에 작용하는 원심력과 접속부(36)의 길이의 비[후술하는 편류 작용(D)]로 평가하였다. 전해액에 작용하는 원심력(F)은, 다음과 같이 하여 구하였다.
(전해액의 원심력)
원심력[F(N/㎥)]은, 전해액의 비중을 m(㎏/㎥), 전해액의 유속을 u(m/s)로 하여, 다음 식에 따라 산출한다.
[식 10] F=m×(u2/r)
유속[u(m/s)]은, 전해액의 유량을 Q(L/min)로 할 때, 다음 식으로 주어진다.
[식 11] u=Q/(h×w)
상기계산식에 이용하는 비중(m)은 1400 ㎏/㎥로 하rh, 유량(Q)은 1 L/min으로 한다.
(편류 작용)
전해액에 작용하는 원심력[F(N/㎥)]과 접속부(36)의 길이[a(㎜)]의 비를 편류 작용(D)으로 정의하여, 다음 식에 따라 편류 작용[D(N/m4)]을 산출한다.
[식 12] D=F/a
〈정류 효과의 평가〉
접속부(36)의 길이(a)를 1.0 ㎜∼300 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 편류 작용[D(N/m4)]을 산출하고, 이것에 기초하여 정류 효과를 평가하였다. 편류 작용(D)이 작을수록, 정류 효과가 높은 것을 의미한다. 정류 효과의 평가는, 편류 작용(D)의 값이 5.0×107(N/m4) 이하인 경우를 「A」, 1.0×108(N/m4) 이하인 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 편류 작용(D)의 값과 정류 효과의 평가를 표 2에 나타낸다.
(왜곡량)
왜곡량은, 접속부(36)의 형성 부분에 가해지는 액압에 의한 총하중(P)으로 평가하였다. 접속부(36)에서의 하중[P(N)]은, 단위 액압[p(N/㎜)]과 길이[a(㎜)]의 곱으로서, 다음 식에 따라 나타낸다.
[식 13] P=p×a
단위 액압[p(N/㎜)]은, 시산예 1과 마찬가지로, 액압[σ(㎫)]과 슬릿 깊이[h(㎜)]의 곱으로서, [σ×h]로 주어진다. 액압(σ)은 0.5 ㎫로 한다.
(하중)
다음 식에 따라 접속부(36)에서의 하중[P(N)]을 산출하고, 이 하중(P)을 Pa로 한다.
[식 14] P=p×a=σ×h×a
〈왜곡량의 평가〉
접속부(36)의 길이(a)를 1.0 ㎜∼300 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 하중[Pa(N)]을 산출하고, 이것에 기초하여 왜곡량을 평가하였다. 하중(Pa)이 작을수록, 접속부에서의 왜곡량이 작은 것을 의미한다. 왜곡량의 평가는, 하중(Pa)의 값이 50(N) 이하인 경우를 「A」, 100(N) 이하인 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 하중(Pa)의 값과 왜곡량의 평가를 표 2에 나타낸다.
〈종합 평가〉
표 2에 나타내는 각 길이의 접속부에 대해서, 정류 효과 및 왜곡량의 평가에 기초하여 종합 평가를 행하였다. 종합 평가는, 정류 효과 및 왜곡량의 모든 평가가 「A」인(「B」, 「C」가 없음) 경우를 「A」, 적어도 하나의 평가가 「B」이며, 「C」가 없는 경우를 「B」, 적어도 하나의 평가가 「C」인 경우를 「C」로 하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2에 나타내는 시산예 2의 결과로부터, 접속부의 길이(a)가 길수록, 편류 작용(D)의 값이 작으며, 정류 효과가 높아지고, 길이(a)가 짧을수록, 하중(Pa)의 값이 작으며, 왜곡량이 작아지는 것을 알 수 있다. 그리고, 길이(a)가 5.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하인 경우, 정류 효과의 향상과 왜곡량의 저감을 양립할 수 있다고 생각된다. 특히, 길이(a)가 10 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하인 경우, 정류 효과의 향상과 왜곡량의 저감을 높은 레벨로 양립할 수 있다.
[시산예 3]
슬릿의 깊이를 변화시켰을 때의 정류 효과 및 왜곡량을 평가하였다. 평가 조건을 다음에 나타낸다.
시산예 3에서는, 시산예 2에서 이용한 도 8에 나타내는 모델을 이용하여, 슬릿(210)의 깊이(h)를 0.1 ㎜∼15 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의, 접속부(36)에 의한 정류 효과 및 곡부(35)에서의 왜곡량을 해석하여 평가하였다. 슬릿(210)의 곡부(35)의 평면 형상은, 1/4 원호형[중심각(θ)=90°]으로 곡률 반경(r)을 20 ㎜로 하였다. 접속부(36)는, 직선형으로 길이(a)를 50 ㎜로 하였다. 또한, 슬릿(210)의 단면 형상은 직사각 형상으로, 폭(w)은 4 ㎜로 하였다.
〈정류 효과의 평가〉
정류 효과는, 시산예 2에서 설명한 계산식을 이용하여, 슬릿의 깊이(h)를 0.1 ㎜∼15 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 편류 작용[D(N/m4)]을 산출하고, 이것에 기초하여 평가하였다. 정류 효과의 평가는, 편류 작용(D)의 값이 5.0×107(N/m4) 이하인 경우를 「A」, 1.0×108(N/m4) 이하인 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 편류 작용(D)의 값과 정류 효과의 평가를 표 3에 나타낸다.
〈왜곡량의 평가〉
왜곡량은, 시산예 1에서 설명한 계산식을 이용하여, 슬릿의 깊이(h)를 0.1 ㎜∼15 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 하중[Pr(N)]을 산출하고, 이것에 기초하여 평가하였다. 왜곡량의 평가는, 하중(Pr)의 값이 50(N) 이하인 경우를 「A」, 100(N) 이하인 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 하중(Pr)의 값과 왜곡량의 평가를 표 3에 나타낸다.
〈종합 평가〉
표 3에 나타내는 각 깊이의 슬릿에 대해서, 정류 효과 및 왜곡량의 평가에 기초하여 종합 평가를 행하였다. 종합 평가는, 정류 효과 및 왜곡량의 모든 평가가 「A」인(「B」, 「C」가 없음) 경우를 「A」, 적어도 하나의 평가가 「B」이며, 「C」가 없는 경우를 「B」, 적어도 하나의 평가가 「C」인 경우를 「C」로 하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
표 3에 나타내는 시산예 3의 결과로부터, 슬릿의 깊이(h)가 클수록, 편류 작용(D)의 값이 작으며, 정류 효과가 높아지고, 깊이(h)가 작을수록, 하중(Pr)의 값이 작으며, 왜곡량이 작아지는 것을 알 수 있다. 그리고, 깊이(h)가 0.5 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하인 경우, 정류 효과의 향상과 왜곡량의 저감을 양립할 수 있다고 생각된다. 특히, 깊이(h)가 1.0 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하인 경우, 정류 효과의 향상과 왜곡량의 저감을 높은 레벨로 양립할 수 있다.
[시산예 4]
슬릿의 폭을 변화시켰을 때의 정류 효과 및 방열 성능을 평가하였다. 평가 조건을 다음에 나타낸다.
시산예 4에서는, 시산예 2에서 이용한 도 8에 나타내는 모델을 이용하여, 슬릿(210)의 폭을 0.1 ㎜∼25 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의, 접속부(36)에 의한 정류 효과 및 곡부(35)에서의 방열 성능을 해석하여 평가하였다. 슬릿(210)의 곡부(35)의 평면 형상은, 1/4 원호형[중심각(θ)=90°]으로 곡률 반경(r)을 10 ㎜로 하였다. 접속부(36)는, 직선형으로 길이(a)를 100 ㎜로 하였다. 또한, 슬릿(210)의 단면 형상은 직사각 형상으로, 깊이(h)는 1 ㎜로 하였다.
〈정류 효과의 평가〉
정류 효과는, 시산예 2에서 설명한 계산식을 이용하여, 슬릿의 폭(w)을 0.1 ㎜∼25 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 편류 작용[D(N/m4)]을 산출하고, 이것에 기초하여 평가하였다. 정류 효과의 평가는, 편류 작용(D)의 값이 5.0×108(N/m4) 이하인 경우를 「A」, 1.0×1010(N/m4) 이하인 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 편류 작용(D)의 값과 정류 효과의 평가를 표 4에 나타낸다.
〈방열 성능의 평가〉
방열 성능은, 시산예 1에서 설명한 계산식을 이용하여, 슬릿의 폭(w)을 0.1 ㎜∼25 ㎜의 범위에서 변화시켰을 때의 온도 상승 속도(ΔT)(℃/s)를 산출하고, 이것에 기초하여 평가하였다. 방열 성능의 평가는, 온도 상승 속도(ΔT)의 값이 5.0(℃/s) 이하인 경우를 「A」, 8.0(℃/s) 이하인 경우를 「B」, 그 이외를 「C」로 하였다. 온도 상승 속도(ΔT)의 값과 방열 성능의 평가를 표 4에 나타낸다.
〈종합 평가〉
표 4에 나타내는 각 폭의 슬릿에 대해서, 정류 효과 및 방열 성능의 평가에 기초하여 종합 평가를 행하였다. 종합 평가는, 정류 효과 및 방열 성능의 모든 평가가 「A」인(「B」, 「C」가 없음) 경우를 「A」, 적어도 하나의 평가가 「B」이며, 「C」가 없는 경우를 「B」, 적어도 하나의 평가가 「C」인 경우를 「C」로 하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure pct00004
표 4에 나타내는 시산예 4의 결과로부터, 슬릿의 폭(w)이 클수록, 편류 작용(D)의 값이 작으며, 정류 효과가 높아지고, 폭(w)이 작을수록, 온도 상승 속도(ΔT)의 값이 작으며, 방열 성능이 높아지는 것을 알 수 있다. 그리고, 폭(w)이 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하인 경우, 정류 효과의 향상과 방열성의 개선을 양립할 수 있다고 생각된다. 특히, 폭(w)이 1.0 ㎜ 이상 8.0 ㎜ 이하인 경우, 정류 효과의 향상과 방열성의 개선을 높은 레벨로 양립할 수 있다.
본 발명의 프레임 및 셀 프레임은, 레독스 플로우 전지의 구성 부품에 적합하게 이용 가능하다.
100 셀
101 이온 교환막
102 정극 셀 104 정극 전극
103 부극 셀 105 부극 전극
106 정극 전해액용 탱크
108, 110 도관 112 펌프
107 부극 전해액용 탱크
109, 111 도관 113 펌프
20 셀 프레임
21 쌍극판 22 프레임
22L 장편 22S 단편 22C 코너부
22o 개구
24 챔버
200 매니폴드
201, 202 급액 매니폴드
203, 204 배액 매니폴드
210 슬릿
211, 212 급액 슬릿
213, 214 배액 슬릿
35, 35a∼35c 곡부
36 접속부
40 보호판
50 시일 부재
10S 셀 스택
250 엔드 플레이트
300 레독스 플로우 전지(RF 전지)

Claims (9)

  1. 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임에 있어서,
    상기 프레임의 내측에 형성된 개구;
    전해액이 유통되는 매니폴드; 및
    상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿
    을 포함하고,
    상기 슬릿은, 적어도 하나의 곡부(曲部)를 가지며,
    적어도 하나의 상기 곡부의 곡률 반경이 2.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하인 것인, 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 곡부 중, 가장 상기 개구측에 위치하는 곡부와 상기 개구 사이에, 곡률 반경이 200 ㎜ 초과인 접속부를 갖는 것인, 프레임.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접속부의 길이가 5.0 ㎜ 이상 200 ㎜ 이하인 것인, 프레임.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬릿의 깊이가 0.5 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하인 것인, 프레임.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬릿의 폭이 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하인 것인, 프레임.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 대향하는 한쌍의 장편(長片)과, 상기 장편의 단부끼리를 연결하는 한쌍의 단편을 가지고,
    상기 장편에, 적어도 하나의 상기 곡부가 형성되는 것인, 프레임.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 대향하는 한쌍의 장편과, 상기 장편의 단부끼리를 연결하는 한쌍의 단편을 가지고,
    상기 장편과 상기 단편이 교차하는 코너부에, 적어도 하나의 상기 곡부가 형성되어 있는 것인, 프레임.
  8. 레독스 플로우 전지용 셀 프레임에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 프레임; 및
    상기 프레임의 개구에 감입되는 쌍극판
    을 포함하고,
    상기 프레임 및 상기 쌍극판에 의해 상기 프레임의 내측에 챔버가 형성되는 것인, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임.
  9. 제8항에 기재된 레독스 플로우 전지용 셀 프레임을 포함하는 레독스 플로우 전지.
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