KR20180116979A - 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택 - Google Patents

균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR20180116979A
KR20180116979A KR1020170049984A KR20170049984A KR20180116979A KR 20180116979 A KR20180116979 A KR 20180116979A KR 1020170049984 A KR1020170049984 A KR 1020170049984A KR 20170049984 A KR20170049984 A KR 20170049984A KR 20180116979 A KR20180116979 A KR 20180116979A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit cells
inflow pipe
diameter
unit cell
stack
Prior art date
Application number
KR1020170049984A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101956828B1 (ko
Inventor
정승훈
Original Assignee
전남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR1020170049984A priority Critical patent/KR101956828B1/ko
Publication of KR20180116979A publication Critical patent/KR20180116979A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101956828B1 publication Critical patent/KR101956828B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2459—Comprising electrode layers with interposed electrolyte compartment with possible electrolyte supply or circulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/528—

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되며, 상기 단위 셀들의 내부로 전해액을 공급하기 위한 유입관; 및 상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함하되, 상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택{Stack of redox flow batteries for uniform flow distribution}
본 발명은 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택에 관한 것이다.
레독스흐름전지는 기존의 전지와 달리 전하를 액체상태로 탱크에 저장하고 이를 전지 스택에 공급하여 전력을 생산하거나 저장하는 전지로, Bipolar plate를 통해 직렬연결된 flow battery는 매니폴드를 통해 각 단위 셀로 반응물질을 공급하고, 공급된 반응물질은 단위 셀 내부의 전극에서 반응을 마치고 단위 셀에서 빠져나간다.
이때, 전지 스택은 여러 장의 단위 셀을 직렬로 적층하여 구성한다.
한편, 전해액 탱크에서 상기 전지 스택으로 전해액을 공급하면 전지 스택은 내부의 단위 셀들로 전해액을 분배하여 각각의 단위 셀이 일정한 전력을 생산하며 직렬연결된 단위 셀들은 동일한 전류부하를 받게 된다.
이때, 각 단위 셀의 전기화학반응이 동일하면 모두 동일한 출력전압을 나타내게 되며 전지 스택의 전압은 V_stack = V_cell x N(단위 셀의 수)이 된다.
한편, 단위 셀들의 작동전압은 전류부하에 따른 과전압에 따라 결정되며 과전압은 전극 내부 반응물질의 농도의 영향을 받는다.
즉, 동일한 전류부하를 받는 단위 셀들에 투입되는 전해질의 유량이 다를 경우 단위 셀들의 과전압이 달라지며 결국, 단위 셀들의 전압이 달라지며 전지 스택은 직렬연결된 단위 셀들의 전압의 총 합이므로 전지 스택의 전압이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택의 제공을 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되며, 상기 단위 셀들의 내부로 전해액을 공급하기 위한 유입관 및 상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 유입관의 직경은 최초 전해액이 유입되는 단위 셀에서 이웃하는 단위 셀로 갈수록 작아질 수 있다.
바람직하게는 상기 유입관의 내부에는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위한 직경 조절링이 삽입될 수 있다.
바람직하게는 상기 링은 원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 유입관의 내부는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위해 단차가 형성될 수 있다.
본 발명은 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 도시한 개념도다.
도 2는 도 1에 도시된 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 위한 치수 구조를 도시한 도다.
도 3은 단위 셀별로 균일한 유량 분배를 위한 유입관의 직경 구조 및 크기를 도시한 도이며, 도 4는 상기 유입관은 측단면도다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 도시한 개념도, 도 2는 도 1에 도시된 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 위한 치수 구조를 도시한 도, 도 3은 단위 셀별로 균일한 유량 분배를 위한 유입관의 직경 구조 및 크기를 도시한 도이며, 도 4는 상기 유입관은 측단면도다.
상기 도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택은 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되며, 상기 단위 셀들의 내부로 전해액을 공급하기 위한 유입관 및 상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함한다.
이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어진다.
이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 유입관의 직경은 최초 전해액이 유입되는 단위 셀에서 이웃하는 단위 셀로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하며, 상술한 상기 유입관의 직경 조절은 하기와 같다.
먼저, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 상기 유입관의 직경 조절을 위하여 상기 유입관의 내부에 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위한 직경 조절링이 삽입된다.
이때, 상기 직경 조절링은 미리 계산된 직경 값을 갖도록 준비되며, 상기 직경 조절링의 형상은 원형 또는 삼각형 및 사각형을 포함하는 다각형으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서는 상기 유입관의 직경 조절을 위하여 상기 유입관의 내부에 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위해 계산된 직경 값을 갖는 단차를 형성한다.
한편, 상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택의 각 단위 셀별 유입관 및 배출관의 직경은 하기와 같은 과정을 통해 얻어지며 이하에서는 이에 대해 상세히 설명한다.
한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 유동구조의 설계를 위해 다음과 같이 가정한다.
① 유입관의 입구와 배출관의 출구 길이는 동일함
② 전해액의 유동은 비 압축성 층류 유동임
③ 각 단위 셀에 걸리는 압력강하는 동일함
④ 유동 속도는 평균속도를 사용함
⑤ 각 단위 셀의 유량의 합은 전체유량과 동일(질량보존의 법칙)하며, 상술한 가정에 따라 다음과 같은 식을 이용하였다.
ⅰ) 압력강하
Figure pat00001
ⅱ) 원형 파이프, 층류 유동
Figure pat00002
ⅲ) 질량유량
Figure pat00003
이와 관련하여 상기 도 1을 참조하면, 첫 번째 단위 셀로 흐르는 유동(실선)의 입ㆍ출구에서의 전체 압력강하와 두 번째 단위 셀로 흐르는 유동(점선)의 입ㆍ출구에서의 전체 압력강하가 같다는 가정하에 식을 세웠으며 이때, 상기‘*’표시는 출구 쪽의 압력강하를 뜻한다.
Figure pat00004
이때, 상술한 가정 ③을 사용하여 상기 식을 정리하면,
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
이때, 각 단위 셀의 입구와 출구의 압력강하가 동일하게 나왔다. 첫 번째와 두 번째 단위 셀 사이의 압력강하를 사용하여 식(ⅰ)을 대입 후 정리하면 다음과 같다.
Figure pat00009
유동의 속도는 가정 ④의 평균속도를 의미하며, 식(ⅲ)을 이용하여 위 식에 대입 후 정리를 하여 다음과 같은 각 단위 셀 사이의 입ㆍ출구 직경 비를 얻을 수 있었다.
Figure pat00010
이때, n은 전체 단위 셀의 개수이며, i는 해당 단위 셀의 번호를 의미한다.
한편, 도 1에 도시된 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 위한 치수 구조를 도시한 도 2를 참조하면, 도 2에서 L은 유입관 및 배출관의 길이, n은 단위 셀의 개수, Q는 유입되는 전해액의 총 유량이며, D는 유입관 및 배출관의 수력직경이다.
결과적으로 본 발명의 일실시 예에 다른 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택은 상술한 기술적 구성들을 통해 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써, 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 우수한 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

Claims (5)

  1. 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되며, 상기 단위 셀들의 내부로 전해액을 공급하기 위한 유입관; 및
    상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함하되,
    상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입관의 직경은 최초 전해액이 유입되는 단위 셀에서 이웃하는 단위 셀로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유입관의 내부에는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위한 직경 조절링이 삽입되는 것을 특징으로 하는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 링은 원형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유입관의 내부는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위해 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택.
KR1020170049984A 2017-04-18 2017-04-18 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택 KR101956828B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170049984A KR101956828B1 (ko) 2017-04-18 2017-04-18 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170049984A KR101956828B1 (ko) 2017-04-18 2017-04-18 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180116979A true KR20180116979A (ko) 2018-10-26
KR101956828B1 KR101956828B1 (ko) 2019-03-11

Family

ID=64099150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170049984A KR101956828B1 (ko) 2017-04-18 2017-04-18 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101956828B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114133021A (zh) * 2021-12-02 2022-03-04 天津大学 一种通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统
CN115051011A (zh) * 2022-08-17 2022-09-13 杭州德海艾科能源科技有限公司 一种液流电池电堆液路分区系统
CN118016954A (zh) * 2024-04-09 2024-05-10 中控技术股份有限公司 一种分配管结构及安装方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016522977A (ja) * 2013-06-13 2016-08-04 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションＵｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 断面に変化があるマニフォールド流路付きフロー電池

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016522977A (ja) * 2013-06-13 2016-08-04 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションＵｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 断面に変化があるマニフォールド流路付きフロー電池

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114133021A (zh) * 2021-12-02 2022-03-04 天津大学 一种通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统
CN114133021B (zh) * 2021-12-02 2023-07-25 天津大学 一种通过导流板调控流向的微生物电化学多模块堆栈系统
CN115051011A (zh) * 2022-08-17 2022-09-13 杭州德海艾科能源科技有限公司 一种液流电池电堆液路分区系统
CN115051011B (zh) * 2022-08-17 2022-11-15 杭州德海艾科能源科技有限公司 一种液流电池电堆液路分区系统
CN118016954A (zh) * 2024-04-09 2024-05-10 中控技术股份有限公司 一种分配管结构及安装方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101956828B1 (ko) 2019-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20180277864A1 (en) High performance flow battery
KR101956828B1 (ko) 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택
CN111200137B (zh) 一种燃料电池导流板
CN103390759B (zh) 一种液流电池的液流框结构及其组成的电堆
US7527886B2 (en) Start up of cascaded fuel cell stack
CN102957160B (zh) 在存储设备中维持得自发电系统的最优量的能量的方法
CN102074716B (zh) 燃料电池
CN107634241B (zh) 用于液流电池的液流框
CN109904483B (zh) 燃料电池双极板流场、双极板及电堆结构
CN102290588A (zh) 液流电池系统及其控制方法和装置
CN103199283B (zh) 燃料电池系统的检测方法和装置
CN105514459A (zh) 一种单梯形液流电池、多梯形液流电池及其电堆
CN115051011B (zh) 一种液流电池电堆液路分区系统
CN113061903A (zh) 水电解系统及其控制方法
CN102969517A (zh) 一种用于液流电池的液流框装置及其组成的电堆
CN107195944A (zh) 一种液流电池调控方法及其调控系统、液流电池
CN210296508U (zh) 一种燃料电池双极板工质进/出口结构及燃料电池
Liu et al. Variable current strategy for boosting the effective energy capacity in vanadium redox flow batteries
CN102082281B (zh) 燃料电池
CN108417856B (zh) 一种排水及时方便的燃料电池导流双极板及燃料电池系统
CN203103411U (zh) 一种液流框装置及其组成的电堆
KR101676126B1 (ko) 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법 및 장치
CN102593481B (zh) 液流电池、电池堆、电池系统及其电解液的控制方法
CN100435397C (zh) 具有多方向燃料流动的燃料电池
CN107195942B (zh) 电解液储罐、液流电池、箱式液流电池系统及液流电池充放电控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant