KR20180042595A - 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지 - Google Patents

레독스 플로우 전지용 플로우 프레임 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 상기 플로우 프레임에 포함된 유로가 분기되는 분기점 부분의 모서리의 형상을 곡선으로 하여 유로 내에서의 압력 손실을 방지하고, 상기 곡선 형상의 곡률 반경을 조절하여 유량분배와 유속을 조절함으로써 전지의 효율을 상승시킬 수 있다.

Description

레독스 플로우 전지용 플로우 프레임 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지 {Flow Frame for Redox Flow Battery and Redox Flow Battery Comprising the Same}
본 발명은 유량분배 및 유속을 적절하게 조절하여 전지의 효율을 상승시킬 수 있는 유로를 포함하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
2차 전지 중 레독스 플로우 전지는 전해액 중의 활물질이 산화/환원되어 충방전을 일으키는 시스템으로, 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 레독스 플로우 배터리는 대용량화가 가능하며, 유지 보수 비용이 적고, 상온에서 작동 가능하며, 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특성이 있기 때문에 최근 대용량 이차 전지로 개발하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
레독스 플로우 전지는 일반적으로 양극 전해액을 포함하는 양극 전해액 탱크, 음극 전해액을 포함하는 음극 전해액 탱크 및 스택으로 이루어지며, 양극 및 음극 전해액이 스택을 순환하면서 스택 내에 위치한 전극에서 산화/환원 반응을 일으키게 된다.
레독스 플로우 전지의 용량을 증가시키기 위해서는 전극의 면적을 증가시킬 필요가 있다. 또한, 전극 면적을 전부 활용하여 산화/환원 반응이 원활히 진행될 수 있도록 전극 전면에 전해액을 균등하게 공급하는 것이 중요하다. 전극에 전해액 공급이 균등하지 않게 되면 반응을 하지 못하는 부분에서 과전압이 발생하게 되며, 결과적으로 전지의 성능을 저하시키게 된다.
이에, 레독스 플로우 전지의 스케일업(scale-up)에 따라 전해액을 전극 영역에 고르게 공급하기 위해 다단계의 유로를 가지는 플로우 프레임이 제안된 바 있다.
상기 플로우 프레임의 유로는 종방향 유로와 횡방향 유로가 혼재되어 있고, 전극에 이르는 전해액의 경로 길이가 모두 동일하도록 설계될 수 있다.
그러나, 종래의 유로 형상에서는 유로가 분기될 때 직각 형상으로 분기됨에 따라 차압 손실이 크거나, 라운드 형상으로 분기되어 압력 손실은 적지만 유량 분배를 고려하지 않은 문제가 있었다.
따라서, 고출력 및 대용량 레독스 플로 전지 스택을 위해서는 전극 면적과 유량을 증가시킬 필요가 있으므로, 전해액 분배를 균일하게 하면서 압력 손실을 최소화할 수 있는 유로구조의 설계가 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1176575호, "레독스 흐름전지용 전해액 유동장치" 대한민국 등록특허 제10-1459927호, "전해액 분배 효율성을 향상시킨 셀 프레임 및 이를 구비하는 레독스 흐름 전지"
본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 다각적으로 연구를 수행한 결과, 레독스 플로우 전지의 플로우 프레임의 유로구조에서 유로가 분기되는 부분의 형상 및 크기를 조절하여, 유로 내에서의 압력 손실을 감소시키고, 속도 편차 없이 균등한 유량 분배 효과를 나타낼 수 있는 레독스 플로우 전지용 유로구조를 설계할 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 레독스 플로우 전지의 전극으로 전해액을 공급할 때, 압력 손실을 최소화하면서 동시에, 유량분배 및 유속을 적절하게 조절하여 전지의 효율을 상승시킬 수 있는 유로를 포함하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 바와 같이 유로를 포함하는 플로우 프레임을 포함함으로써 전지의 성능이 향상된 레독스 플로우 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 레독스 플로우 전지의 전극으로 전해액을 공급하기 위한 유로를 포함하는 플로우 프레임에 있어서, 상기 유로는 일 공급 유로에서 복수의 분배 유로로 분기되는 형상을 가지며, 상기 분기되는 분기점의 모서리는 곡선 형상인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임을 제공한다.
상기 유로는, 상기 단일 공급 유로에서 2개의 분배 유로로 분기되는 형상을 가지며, 상기 2개의 분배 유로로 분기되는 분기점은 제1 분배 유로로 분기되는 제1 모서리 및 제2 분배 유로로 분기되는 제2 모서리를 포함하고, 상기 제1 모서리의 곡률반경(R1)과 제2 모서리의 곡률반경(R2)은 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 및 제2 분배 유로 중, 공급 유로의 횡방향 채널에서의 유체 흐름 방향과 동일한 유체 흐름 방향을 가지는 분배 유로의 모서리 곡률반경이 더 작은 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 공급 유로의 횡방향 채널과 상기 제1 분배 유로에서의 유체 흐름 방향이 동일하고, 제1 모서리의 곡률반경(R1) < 제2 모서리의 곡률반경(R2)이고, 상기 공급 유로의 횡방향 채널과 상기 제2 분배 유로에서의 유체 흐름 방향이 동일하고, 제1 모서리의 곡률반경(R1) > 제2 모서리의 곡률반경(R2)일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 특징을 가지는 유로를 포함하는 플로우 프레임을 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 포함된 유로는 단일 공급 유로에서 복수의 분배 유로로 분기되는 분기점이 곡선 형상을 가짐으로 인하여 압력 손실이 적고, 상기 곡선의 곡률 반경을 조절하여 유체의 흐름이 원활하도록 할 수 있어 전지의 효율을 상승시킬 수 있다.
도 1은 레독스 플로우 전지의 플로우 프레임(a), 종래 유로의 분기점 형상(b) 및 본 발명에 따른 유로 구조의 분기점 형상(c)의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 포함된 유로의 모식도이다.
도 3은 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 포함되는 유로의 모식도로서 유로 분기점의 형상이 각각 다른 유로 모식도를 나타낸 것이며, (a)는 분기점이 수직 형상인 유로, (b)는 분기점이 곡선 형상인 유로, (c)는 분기점이 곡선 형상이되, 서로 다른 곡률 반경을 가지는 곡선 형상인 유로의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 도 3의 (a), (b) 및 (c)로 도시된 유로에 대해 전산유체역학 기반 시뮬레이션을 실시한 후, 압력 손실 및 제1 아웃렛과 제2 아웃렛 간의 속도 편차 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 3의 (a), (b) 및 (c)로 도시된 유로에 대해 전산유체역학 기반 시뮬레이션을 실시한 후, 유로 내에서의 압력 분포를 나타낸 모식도이다.
도 6은 도 3의 (a), (b) 및 (c)로 도시된 유로에 대해 전산유체역학 기반 시뮬레이션을 실시한 후, 유로 내에서의 유속 분포를 나타낸 모식도이다.
도 7은 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.001 Pa·s인 유체를 1 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.001 Pa·s인 유체를 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 9는 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 1 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 10는 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 11은 밀도 1500 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 1 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 12는 밀도 1500 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
레독스 플로우 전지용 플로우 프레임
본 발명은 레독스 플로우 전지에서 전극으로 전해액을 공급하는 유로를 포함하는 플로우 프레임을 제시하며, 상기 유로는 단일 공급 유로에서 복수의 분배 유로로 분기되는 형상을 가지며, 상기 분기되는 분기점의 모서리는 곡선 형상인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 유로구조를 제시한다.
도 1은 레독스 플로우 전지의 플로우 프레임(a), 종래 유로의 분기점 형상(b) 및 본 발명에 따른 유로의 분기점 형상(c)의 모식도이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 레독스 플로우 전지의 플로우 프레임(10)은 전극(12)에 전해액을 공급하기 위한 유로(11)를 포함하며, 플로우 프레임(10)에 포함된 유로(11)는 종방향 유로와 횡방향 유로가 혼재되어 있으며 전해액을 전극(10)에 고르게 공급할 수 있도록 다단계 형태의 유로(11)를 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 다단계 형태의 유로(11)는 유로(11)가 반복적으로 분기되어 형성될 수 있다.
도 1의 (b)는 종래 유로의 분기점 형상을 나타낸 것으로, 유로가 분기될 때 분기점의 모서리가 직각 형상인 것을 알 수 있다.
도 1의 (c)는 본 발명에 따른 유로의 분기점 형상을 나타낸 것으로, 유로가 분기될 때 분기점의 양 모서리가 곡선 형상인 것을 알 수 있으며, 이때, 양 모서리 및 이들의 곡률반경을 각각 제1 모서리 및 제1 모서리의 곡률반경(R1)과 제2 모서리 및 제2 모서리의 곡률반경(R2)이라 하며, 제1 모서리의 곡률반경(R1)과 제2 모서리의 곡률반경(R2)은 상이한 것을 특징으로 할 수 있다 (R1 ≠ R2).
도 2는 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 포함된 유로의 모식도이다.
도 2를 참조하면, 유로(100)는 단일 공급유로(110)에서 2개의 분배유로, 즉, 제1 분배유로(121) 및 제2 분배유로(122)로 분기되며, 제1 분배유로(121) 및 제2 분배유로(122)로 각각 분기되는 분기점의 곡선형 모서리를 각각 제1 모서리(121c) 및 제2 모서리(122c)라 한다.
여기서, 제1 모서리(121c) 및 제2 모서리(122c)의 곡률반경은 각각 제1 모서리의 곡률반경(R1)과 제2 모서리의 곡률반경(R2)이라고 하며, 제2 모서리의 곡률반경(R2)은 제1 모서리의 곡률반경(R1)의 1.1배 내지 5배일 수 있다 (1.1×R1 ≤ R2 ≤ 5×R1). 상기 R2 가 1.1×R1 미만이거나, 5×R1 초과이면 분기되는 유로에서 유체의 속도 편차가 커질 수 있다.
상기 R1과 R2의 비를 적절히 조절함으로써 유로를 통해 유량 분배를 보다 균일하게 할 수 있다.
공급유로(110)는 횡방향 채널(channel)(111); 및 횡방향 채널(111)과 수직으로 연결된 종방향 채널(112);을 포함할 수 있으며, 종방향 채널(112)의 말단에서 제1 분배유로(121)와 제2 분배유로(122)로 분기될 수 있다.
한편, 제1 분배 유로(121) 및 제2 분배 유로(122) 중, 공급 유로(110)의 종방향 채널(122)에서의 유체 흐름 방향과 동일한 유체 흐름 방향을 가지는 분배 유로의 모서리 곡률 반경이 더 작은 것을 특징으로 할 수 있다.
예컨대, 상기 공급 유로(110)의 횡방향 채널(111)과 상기 제1 분배 유로(121)에서의 유체 흐름 방향이 -x 방향으로 동일할 경우, R1 < R2 일 수 있다.
공급유로(110)의 횡방향 채널(111)을 흐르는 유체는 종방향 채널(112)을 거쳐 제1 분배유로(121)와 제2 분배유로(122)를 통과한 후 각각 제1 아웃렛(121o)과 제2 아웃렛(122o)을 통하여 빠져나가게 되는데, 공급유로(110)에서 유체 방향이 -x 방향이면 공급유로(110)의 종방향 채널(111)을 통과하면서 발생하는 -x 방향의 유속 때문에 제1 아웃렛(121o) 쪽으로 상대적으로 많은 유체가 빠져나가면서 제1 아웃렛(121o)과 제2 아웃렛(122o) 간의 속도 편차, 즉, 유량 편차가 급격하게 증가하게 된다. 이는 전해액 분배의 불균일성이 증가함을 의미하므로, 이와 같은 전해액 분배의 불균일성을 극복하기 위해서 R1을 R2에 비해 상대적으로 감소시키면, 압력 감소 효과를 유지한 채, 유속의 편차가 거의 없이 균등한 유량 분배를 가능하게 할 수 있다.
반대로, 상기 공급 유로(110)의 횡방향 채널(111)과 상기 제2 분배 유로(122)에서의 유체 흐름 방향이 x 방향으로 동일할 경우, R1 > R2 일 수 있다.
본 발명에 있어서, 전술한 바와 같은 구조를 가지는 유로가 다층 구조를 이룰 수 있어 대면적 플로우 프레임을 구현할 수도 있으며, 이 경우, 레독스 플로우 전지에서의 압력 손실 최소화와, 유량분배 및 유속의 조절을 통한 전지 효율 상승 효과를 배가시킬 수 있다.
레독스 플로우 전지
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 특징을 가지는 유로를 포함하는 레독스 플로우 전지용 프로우 프레임을 레독스 플로우 전지를 제공할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 전산유체역학 기반 시뮬레이션을 실시한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실험예 1: 유로 분기점 형상 및 곡률반경에 따른 압력 손실과 속도 편차 비교
전산유체역학 기반 시뮬레이션에 의하여, 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 포함된 유로의 분기점 형상 및 곡률반경에 따른 압력 손실과 속도 편차를 비교하였다.
도 3은 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 포함되는 유로의 모식도로서 유로 분기점의 형상이 각각 다른 유로 모식도를 나타낸 것이며, (a)는 분기점이 수직 형상인 유로, (b)는 분기점이 곡선 형상인 유로, (c)는 분기점이 곡선 형상이되, 서로 다른 곡률 반경을 가지는 곡선 형상인 유로의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3의 (a), (b) 및 (c)와 같은 유로에 대해서 유체 흐름 실험을 시뮬레이션을 실시하여, 압력 손실(차압) 및 속도편차를 비교하였다.
이때, 압력손실이란 인렛(inlet)과 아웃렛(outlet)에서의 유체 압력 차이를 의미하고, 속도편차는 분기된 각 유로 끝단에서의 평균 유속 차이를 의미한다.
상기 시뮬레이션을 위해 공급유로(110)의 인렛(inlet)(113)으로 공급된 유체는 -x 방향으로, 횡방향 채널(111)를 거쳐 90°로 꺽인 다음 종방향 채널(112)의 말단에서 양쪽 횡방향으로 분기된 제1 분배유로(121) 및 제2 분배유로(122)를 거쳐 제1 아웃렛(121o) 및 제2 아웃렛(122o)을 통과하도록 하였다.
이때, 각 유로에 공급되는 유체는 물로 가정하였으며, 공급유로(110)의 인렛 (113)에서의 유량은 162.5 cc/min, 유로의 단면적은 2 mm x 1 mm, 아웃렛(outlet)(121o, 122o)에서의 출구 조건은 대기압으로 하였다. 또한, 도 3의 (b)에서는 R1 = R2 = 1 mm, 도 3의 (c)에서는 R1 = 0.5 mm, R2 = 1 mm 로 하였다.
이와 같은 시뮬레이션을 통해 압력 손실 및 제1 아웃렛과 제2 아웃렛 간의 속도 편차 결과를 얻었다.
도 4는 도 3의 (a), (b) 및 (c)로 도시된 유로에 대해 전산유체역학 기반 시뮬레이션을 실시한 후, 압력 손실 및 제1 아웃렛과 제2 아웃렛 간의 속도 편차 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 도 3의 (a)와 같이 직각으로 분기되는 유로에 비해 도 3의 (b)와 같은 곡선 형상으로 분기되는 유로의 압력 손실이 20% 정도 감소한 것을 알 수 있다.
그러나, 도 3의 (b)에 도시된 유로의 경우, 유체가 공급유로(110)의 횡방향 채널(111)를 통과하면서 -x 방향으로의 유속 ‹š문에 제1 아웃렛(121o) 쪽으로 많은 유체가 빠져나가면서 제1 아웃렛(121o)과 제2 아웃렛(122o)에서의 속도 편차, 즉, 유량 편차가 급격하게 증가하게 되며, 이는 곧 전해액 분배의 불균일성이 증가함을 의미한다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, 도 3의 (c)와 같이 유로가 분기되는 분기점 부분에서의 양 모서리의 곡률반경인 R1과 R2를 상이하게 설계하되, R1 < R2가 되도록 설계함으로써, 도 4에서 확인할 수 있듯이 압력 손실 감소효과는 유지한 채 속도 편차가 없게 함으로써, 균등한 유량 분래를 할 수 있도록 할 수 있다.
실험예 2: 유로 분기점 형상 및 곡률반경에 따른 유로에서의 압력 분포 및 유속 분포 비교
전산유체역학 기반 시뮬레이션에 의하여, 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 포함된 유로의 분기점 형상 및 곡률반경에 따른 압력 분포와 유속 분포를 비교하였다. 실험 조건은 실험예 1과 동일하게 실시하였다.
도 5는 도 3의 (a), (b) 및 (c)로 도시된 유로에 대해 전산유체역학 기반 시뮬레이션을 실시한 후, 유로 내에서의 압력 분포를 나타낸 모식도이다. 도 6은 도 3의 (a), (b) 및 (c)로 도시된 유로에 대해 전산유체역학 기반 시뮬레이션을 실시한 후, 유로 내에서의 유속 분포를 나타낸 모식도이다.
도 5를 참조하면, 도 5의 (a)와 같이 유로의 분기점의 모서리가 직각인 경우 인렛(113)과 아웃렛(121o, 122o) 사이의 압력 차이가 큰 것으로 나타나 압력손실(차압)이 증가할 가능성이 있음을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (b)와 같이 유로의 분기점의 모서리가 곡선인 경우 제1 아웃렛(121o)과 제2 아웃렛(122o) 사이의 유속 차이가 커 유량 편차가 커질 가능성이 있음을 알 수 있다.
도 5의 (c) 및 도 6의 (c)와 같이 유로의 분기점의 모서리가 곡선이되, R1 = 0.5 mm, R2 = 1 mm로 설정한 경우는, 압력 편차와 유속 편차가 도 5의 (a), (b)와 도 6의 (a), (b)에 비해 크지 않은 것으로 나타났으며, 유량이 증가할수록 압력 편차와 유속 편차 감소 효과는 증대될 것으로 예상된다.
또한, 본 실험예에서는 R1 = 0.5 mm, R2 = 1 mm으로 설정하였으나, 실험 조건에 따라 R1, R2 값을 적절히 조절하여 압력 편차와 유속 편차 감소 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
실험예 3: 유체 물성 및 유체 공급 조건에 따른 유로의 압력 편차와 유속 편차 비교
도 2에 도시된 바와 같은 유로에 유체를 공급하여 압력 편차와 유속 편차를 비교하되, 하기 표 1에 기재된 바와 같은 유체 물성 및 유체 공급 조건에 따라 유체를 공급하되, R1과 R2의 값을 변화시켜 가면서 실험을 실시하여, 각 유로에서의 압력 편차와 유속 편차를 비교하였다.
유체 물성 공급조건
밀도
(kg/㎥)		 점성계수
(Pa·s)		 공급유량
(cc/min/㎠)
3-1 1000 0.001 1 2
3-2 1000 0.005 1 2
3-3 1500 0.005 1 2
3-1. 밀도 1000 kg / ㎥ 이고 , 점성계수 0.001 Pa· s인 유체를 1 cc /min/㎠ 및 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급한 경우
도 7은 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.001 Pa·s인 유체를 1 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.001 Pa·s인 유체를 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 유량이 1 cc/min/㎠ 이면 R1 = 0.5 mm 이고, R2 = 1 mm일 경우가 분기점 이후 유로 양단으로의 유량 분배를 균일하게 하면서 압력 손실을 최소화하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 유량이 2 cc/min/㎠ 이면 R1 = 0.5 mm 이고, R2 = 1.5 mm일 경우가 분기점 이후 유로 양단으로의 유량 분배를 균일하게 하면서 압력 손실을 최소화하는 것을 알 수 있다.
3-2. 밀도 1000 kg / ㎥ 이고 , 점성계수 0.005 Pa· s인 유체를 1 cc /min/㎠ 및 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급한 경우
도 9는 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 1 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 10는 밀도 1000 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 유량이 1 cc/min/㎠ 이면 R1 = 0.75 mm 이고, R2 = 1 mm일 경우가 분기점 이후 유로 양단으로의 유량 분배를 균일하게 하면서 압력 손실을 최소화하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 10을 참조하면, 유량이 2 cc/min/㎠ 이면 R1 = 0.5 mm 이고, R2 = 0.75 mm일 경우가 분기점 이후 유로 양단으로의 유량 분배를 균일하게 하면서 압력 손실을 최소화하는 것을 알 수 있다.
3-3. 밀도 1500 kg / ㎥ 이고 , 점성계수 0.005 Pa· s인 유체를 1 cc /min/㎠ 및 2 cc/min/ ㎠ 의 유량으로 공급한 경우
도 11은 밀도 1500 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 1 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 12는 밀도 1500 kg/㎥ 이고, 점성계수 0.005 Pa·s인 유체를 2 cc/min/㎠ 의 유량으로 공급할 경우, R1과 R2에 따른 압력손실(차압)(a) 및 속도편차(b)를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 유량이 1 cc/min/㎠ 이면 R1 = 1 mm 이고, R2 = 2 mm일 경우가 분기점 이후 유로 양단으로의 유량 분배를 균일하게 하면서 압력 손실을 최소화하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 12를 참조하면, 유량이 2 cc/min/㎠ 이면 R1 = 0.75 mm 이고, R2 = 2 mm일 경우가 분기점 이후 유로 양단으로의 유량 분배를 균일하게 하면서 압력 손실을 최소화하는 것을 알 수 있다.
상기 도 7 내지 도 12의 결과를 참조하면, 속도 편차(VR1-VR2)는 0에 가까울수록 유체의 분기된 분배 유로로 유체의 고른 분배가 이루어진다.
또한, 압력손실(차압)은 R1과 R2가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 실험예 3의 3-1과 3-2에서 유량이 2 cc/min/㎠ 인 조건하에서는 점성계수가 0.001 Pa·s에서 0.005 Pa·s로 변경되면 R1 = 0.75, R2 = 1.5이 압력손실 및 속도 편차 감소에 최적의 조건이 되는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실험예 3의 3-1과 3-3에서 유량이 2 cc/min/㎠ 인 조건하에서는 밀도 1000 kg/㎥ 에서 1500 kg/㎥ 로 변경되면 R1 = 0.75, R2 = 2이 압력손실 및 속도 편차 감소에 최적의 조건이 되는 것을 알 수 있다.
1: 레독스 플로우 전지
10: 플로우 프레임
11: 유로
12: 전극
100: 유로구조
110: 공급유로
111: 횡방향 채널 112: 종방향 채널
113: 인렛
120: 분배유로
121: 제1 분배유로 122: 제2 분배유로
121c: 제1 모서리 122c: 제2 모서리
121o: 제1 아웃렛 122o: 제2 아웃렛
R1: 제1 모서리의 곡률반경
R2: 제2 모서리의 곡률반경

Claims (9)

  1. 전극으로 전해액을 공급하는 유로를 포함하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임에 있어서,
    상기 유로는
    단일 공급 유로에서 복수의 분배 유로로 분기되는 형상을 가지며,
    상기 분기되는 분기점의 모서리는 곡선 형상인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급 유로는 횡방향 채널(channel); 및 상기 횡방향 채널과 수직으로 연결된 종방향 채널;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공급 유로의 종방향 채널 말단에서 복수의 분배 유로로 분기되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로는
    상기 단일 공급 유로에서 2개의 분배 유로로 분기되는 형상을 가지며,
    상기 2개의 분배 유로로 분기되는 분기점은 제1 분배 유로로 분기되는 제1 모서리 및 제2 분배 유로로 분기되는 제2 모서리를 포함하고,
    상기 제1 모서리의 곡률반경(R1)과 제2 모서리의 곡률반경(R2)은 상이한 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분배 유로 중, 공급 유로의 횡방향 채널에서의 유체 흐름 방향과 동일한 유체 흐름 방향을 가지는 분배 유로의 모서리 곡률반경이 더 작은 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공급 유로의 횡방향 채널과 상기 제1 분배 유로에서의 유체 흐름 방향이 동일하고, 제1 모서리의 곡률반경(R1) < 제2 모서리의 곡률반경(R2)인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 모서리의 곡률반경(R2)은 제1 모서리의 곡률반경(R1)의 1.1배 내지 5배인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 복수 개의 유로가 다층 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 레독스 플로우 전지용 플로우 프레임을 포함하는 레독스 플로우 전지.
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