KR20190063713A - 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지 - Google Patents

레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은 아연 증착 표면적을 넓혀 에너지 밀도를 개선시키고, 동시에 아연 이온의 증착으로 생기는 유로 면적 변화를 효과적으로 대비할 수 있는 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 단위 셀은 원통형의 제1애노드 전극, 상기 제1애노드 전극의 내측에 삽입되고 상기 제1애노드 전극과 이격되는 원통형의 제2애노드 전극, 원통형으로 마련되어 상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극의 사이에 방사상으로 배치되는 복수의 캐소드 전극 및 상기 복수의 캐소드 전극의 둘레에 각각 배치되어 상기 복수의 캐소드 전극을 상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극으로부터 분리하는 복수의 멤브레인을 포함한다.

Description

레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지{CYLINDRICALITY UNIT CELL OF REDOX FLOW BATTERY AND REDOX FLOW BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아연과 브로민을 레독스 커플로 사용하고 전해액과 전극 사이에서 일어나는 산화 환원 반응으로 전기를 생산하는 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 전지의 용량을 전해액 탱크의 부피에 따라 자유롭게 조절할 수 있으며, 전지의 출력을 스택의 개수로 자유롭게 조절할 수 있다는 특성이 있다.
한편, 바나듐 흐름 전지에서는 플레이트(plate) 모양의 스택 구조를 탈피하여 원통형(cylindricality) 구조의 스택 구조가 개발된 바 있다. 이러한 튜블라 구조의 바나듐 흐름 전지는 플레이트 모양의 스택 구조가 갖는 실링(sealing)의 어려움으로 인한 생산단가 문제와, 내부 압력 강하로 인한 효율 저하 문제를 해결하기 위함이었다.
하지만 아연과 브로민을 레독스 커플로 사용하는 흐름전지 구조로써, 한가지 물질이 아닌 아연과 브로민이라는 이종의 물질을 함께 사용한다는 점으로 인해 바나듐 흐름 전지와는 다른 특성을 갖게 되어 아직 원통형 스택 개발은 크게 이루어지지 않고 있다.
아연-브로민 흐름전지는 충전 도중 아연이온이 고체로 음극표면에 증착되어 스택 내부의 압력 변화가 심하여 전해액이 흐르는 유로가 많이 좁아진다. 이는 스택 내부 압력 차이로 인한 전해액의 크로스 오버 현상까지 이어져 시스템의 최종 효율이 감소하게 만드는 중요 요인이 된다.
본 발명의 아연 증착 표면적을 넓혀 에너지 밀도를 개선시키고, 동시에 아연 이온의 증착으로 생기는 유로 면적 변화를 효과적으로 대비할 수 있는 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 단위 셀은 원통형의 제1애노드 전극, 상기 제1애노드 전극의 내측에 삽입되고 상기 제1애노드 전극과 이격되는 원통형의 제2애노드 전극, 원통형으로 마련되어 상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극의 사이에 방사상으로 배치되는 복수의 캐소드 전극 및 상기 복수의 캐소드 전극의 둘레에 각각 배치되어 상기 복수의 캐소드 전극을 상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극으로부터 분리하는 복수의 멤브레인을 포함한다.
상기 레독스 흐름 전지용 단위 셀은 상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극의 사이로 애노드 전해액이 흐르고, 상기 멤브레인과 상기 캐소드 전극의 사이에는 캐소드 전해액이 흐를 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 상기 단위 셀, 애노드 전해액 탱크 및 캐소드 전해액 탱크를 포함한다.
상기 레독스 흐름 전지는 상기 아연-브로민 레독스 커플, 아연-불소 레독스 커플, 아연-염소 레독스 커플, 아연-아이오딘 레독스 커플 및 아연-공기 레독스 커플 중 어느 한 레독스 커플을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지는 애노드 전극이 이중으로 형성되고 그 사이에 캐소드 전극이 분산되므로, 반응 면적을 증가 시켜 에너지 밀도를 증가시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지는 분산된 캐소드 전극 사이의 공간을 통해 애노드 전해액 채널을 확보할 수 있으므로, 충방전 과정에서 애노드 전극에 아연 이온이 증착되어 유로가 좁아져 압력이 변화되는 현상을 방지하여 크로스 오버 현상을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 단위 셀을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 단위 셀을 도 1의 Ι-Ι'선을 기준으로 절단한 단면도이다.
도 4 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 단위 셀을 도 1의 Ⅱ- Ⅱ' 선을 기준으로 절단한 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 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 산화 환원 반응으로 전류를 발생시키는 스택(120) 및 스택(120)에 애노드, 캐소드 전해액을 공급하고 반응 후 스택(120)에서 유출되는 애노드, 캐소드 전해액을 각각 저장하는 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)를 포함한다.
또한, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)를 개재하여 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)와 스택(120)을 연결하는 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1, Lc1)과 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)을 포함한다.
애노드, 캐소드 전해액은 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)의 구동에 따라 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1 Lc1)을 통하여 스택(120)으로 각각 유입되어 반응 후, 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)을 통하여 유출되어 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에 저장된다.
애노드 전해액을 유출하는 애노드 전해액 유출라인(La2)에는 열교환기(207)가 구비된다. 열교환기(207)는 충방전 과정에서 발생하는 반응열을 해소하여 효율감소를 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 단위 셀을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 단위 셀을 도 1의 Ι-Ι'선을 기준으로 절단한 단면도이며, 도 4 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 스택의 단위 셀을 도 1의 Ⅱ- Ⅱ' 선을 기준으로 절단한 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 스택(120)의 내부에는 원통형으로 마련되는 적어도 하나의 단위 셀(120a)이 설치되고, 스택(120)의 양단에는 스택(120)의 개방 단부를 마감하는 엔드 플레이트(71, 72)가 배치될 수 있다.
스택(120)에서, 엔드 플레이트(71)는 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1, Lc1)에 연결되는 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 구비하고, 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)에 연결한다.
스택(120)에서, 엔드 플레이트(72)는 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)에 연결되는 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 구비하고, 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)에 연결한다.
따라서 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 스택(120) 내부에서 일단으로 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)에 연결되고, 다른 일단으로 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)에 연결된다.
스택(120)에서, 단위 셀(120a)은 제1애노드 집전체(121), 제1애노드 전극(122), 제2애노드 전극(123) 및 제2애노드 집전체(124)를 포함할 수 있다.
제1애노드 집전체(121)는 원통 형태로 마련될 수 있다. 제1애노드 전극(122)은 제1애노드 집전체(121)를 관통한다. 제2애노드 전극(123)은 제1애노드 전극(122)을 관통한다. 제2애노드 집전체(124)는 제2애노드 전극(123)을 관통한다.
여기서, 제1애노드 전극(122)은 외측면이 제1애노드 집전체(121)의 내측면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 제2애노드 전극(123)은 외측면이 제1애노드 전극(122)의 내측면으로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 제2애노드 집전체(124)는 외측면이 제2애노드 전극(123)의 내측면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 따라서 단위 셀(120a)의 내부에는 제1애노드 전극(122)과 제2애노드 전극(123)의 사이에는 애노드 전해액이 흐를 수 있는 애노드 전해액 채널(CHa)이 형성될 수 있다.
한편, 스택(120)에서, 단위 셀(120a)은 멤브레인(125), 캐소드 전극(126) 및 캐소드 집전체(127)를 포함할 수 있다.
멤브레인(125)은 제1애노드 전극(122)과 제2애노드 전극(123)의 사이에 배치될 수 있다. 캐소드 전극(126)은 멤브레인(125)을 관통한다. 캐소드 집전체(127)는 캐소드 전극(126)을 관통한다.
여기서, 캐소드 전극(126)은 외측면이 멤브레인(125)의 내측면으로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 캐소드 집전체(127)는 외측면이 캐소드 전극(126)의 내측면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 따라서 단위 셀(120a)의 내부에는 멤브레인(125)과 캐소드 전극(126)의 사이에는 캐소드 전해액이 흐를 수 있는 캐소드 전해액 채널(CHc)이 형성될 수 있다.
이러한 멤브레인(125), 캐소드 전극(126) 및 캐소드 집전체(127)는 각각 복수로 마련될 수 있다. 그리고 복수의 멤브레인(125)은 서로 이격되며, 제2애노드 전극(123)을 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 스택(120)의 단위 셀(120a)은 애노드 전극(12)이 이중으로 마련되고, 서로 이격되는 애노드 전극의 사이에 복수의 캐소드 전극(126)이 분산되어 배치될 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 스택(120)은 애노드 이온이 증착될 수 있는 표면적을 넓혀 에너지 밀도를 개선시키고, 동시에 애노드 이온의 증착으로 생기는 유로 면적 변화를 효과적으로 대비할 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 스택(120)은 분리된 캐소드 전극(126) 사이로 애노드 전해액이 흐를 수 있는 이중 채널을 형성함으로써 충전시 애노드 전해액 채널이 애노드 이온 증착에 따라 좁아져 압력이 상승하는 것을 대비할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 스택(120)은 엔드 플레이트(71, 72) 내측에 배치되어 제1, 2애노드 집전체(121, 124)과 캐소드 집전체(127)에 연결되는 버스바(B1, B2)를 구비한다. 버스바(B1, B2)는 스택(120)의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나, 외부의 전원(206)에 연결되어 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에 전류를 충전할 수 있다.
캐소드 전해액 탱크(220)는 상단에 가스 배출 라인(Lc4)를 더 구비하고, 가스 배출 라인(Lc4)에 가스 필터(GF)를 구비하여 충/방전시 캐소드 전해액에서 발생되는 가스를 배출한다. 따라서 캐소드 전해액에서 발생되는 가스 및 폴리브로민은 애노드 전해액 탱크(210)로 이동하지 않게 된다.
다시 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 애노드 전해액 탱크(210)는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 내장하며, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동으로 스택(120)의 애노드 전해액 채널(CHa)에 애노드 전해액을 공급하고, 애노드 전해액 채널(CHa)을 경유하여 유출되는 애노드 전해액을 수용한다.
캐소드 전해액 탱크(220)는 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 내장하며, 스택(120)의 캐소드 전해액 채널(CHc)에 공급하는 캐소드 전해액을 수용한다. 캐소드 전해액 탱크(220)는 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동으로 스택(120)의 캐소드 전해액 채널(CHc)에 캐소드 전해액을 순환시킨다.
캐소드 전해액 유입라인(Lc1) 및 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)은 4방향 밸브(205)를 개재하여, 캐소드 전해액 탱크(220)를 스택(120)에 연결하므로 스택(120)에 대한 캐소드 전해액의 유입과 유출 작동을 선택적으로 수행할 수 있게 한다.
예를 들면, 4방향 밸브(205)는 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)을 스택(120)의 캐소드 전해액 유입구(H31)에 연결하고, 캐소드 전해액 유출구(H32)를 스택(120)의 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)에 연결할 수 있다.
또한 4방향 밸브(205)는 캐소드 전해액 유출구(H32)를 스택(120)의 캐소드 전해액 유입구(H31)에 연결하여, 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)과 함께 캐소드 전해액을 스택(120)으로 다시 공급할 수도 있다.
예를 들면, 스택(120)은 단위 셀들(120a)을 동축의 관 형태로 형성될 수 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 멤브레인(125)의 양면에서 각각 균일한 압력과 양으로 애노드, 캐소드 전해액을 공급하도록 구성된다.
애노드 전해액 채널(CHa)은 애노드 전해액 유입구(H21) 및 애노드 전해액 유출구(H22)를 연결하며, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동에 의하여, 멤브레인(125)과 제1, 2애노드 전극(122, 123) 사이로 애노드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다.
캐소드 전해액 채널(CHc)은 캐소드 전해액 유입구(H31) 및 캐소드 전해액 유출구(H32)를 연결하며, 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동에 의하여, 멤브레인(125)과 캐소드 전극(126) 사이로 캐소드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다.
애노드 전해액은 제1, 2애노드 전극(122, 123) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 애노드 전해액 탱크(210)에 저장된다. 캐소드 전해액은 캐소드 전극(126) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 캐소드 전해액 탱크(220)에 저장된다.
충전시, 멤브레인(125)과 캐소드 전극(126) 사이에서,
2Br- 2Br＋2e- (식 1)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 캐소드 전해액에 포함된 브로민이 생산되어 캐소드 전해액 탱크(220)에 저장된다.
충전시, 멤브레인(125)과 애노드 전극(32) 사이에서,
Zn2＋＋2e- Zn (식 2)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 애노드 전해액에 포함된 아연이 제1, 2애노드 전극(122, 123)에 증착되어 저장된다.
방전시, 멤브레인(125)과 캐소드 전극(126) 사이에서, 식 1의 역 반응이 일어나고, 멤브레인(125)과 제1, 2애노드 전극(122, 123) 사이에서 식 2의 역 반응이 일어난다.
스택(120)에서 제1, 2애노드 집전체(121, 124) 및 캐소드 집전체(127)는 제1, 2애노드 전극(122, 123)과 캐소드 전극(126)에서 생성된 전류를 모으거나, 외부에서 제1, 2애노드 전극(122, 123)과 캐소드 전극(126)에 전류를 공급하도록 최외곽 제1, 2애노드 전극(122, 123)과 캐소드 전극(126)에 접착되어 전기적으로 연결된다.
한편, 상술한 설명에서는 아연-브로민 레독스 커플을 사용하는 레독스 흐름 전지의 실시예를 들어 설명하고 있으나, 상술한 바와 같은 원통형 스택(120)의 단위 셀(120a)은 아연-불소 레독스 커플, 아연-염소 레독스 커플, 아연-아이오딘 레독스 커플 및 아연-공기 레독스 커플을 사용하는 레독스 흐름 전지에도 사용할 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.
71, 72: 엔드 플레이트 120: 스택
120a: 단위 셀 121: 제1애노드 집전체
122: 제1애노드 전극 123: 제2애노드 전극
124: 제2애노드 집전체 125: 멤브레인
126: 캐소드 전극 127: 캐소드 집전체
205: 4방향 밸브 206: 전원
207: 열교환기 210: 애노드 전해액 탱크
220: 캐소드 전해액 탱크 B1, B2: 버스바
Cha: 애노드 전해액 채널 CHc: 캐소드 전해액 채널
D1, D2: 제1, 제2하단 GF: 가스 필터
H: 높이
H21: 애노드 전해액 유입구 H22: 애노드 전해액 유출구
H31: 캐소드 전해액 유입구 H32: 캐소드 전해액 유출구
L1a, L1c, L2a, L2c: 레벨 La1: 애노드 전해액 유입라인
La2: 애노드 전해액 유출라인 Lc1: 캐소드 전해액 유입라인
Lc2: 캐소드 전해액 유출라인 Lc4: 가스 배출 라인
Pa: 애노드 전해액 펌프 Pc: 캐소드 전해액 펌프
U1, U2: 제1, 제2상단

Claims (4)

  1. 원통형의 제1애노드 전극;
    상기 제1애노드 전극의 내측에 삽입되고 상기 제1애노드 전극과 이격되는 원통형의 제2애노드 전극;
    원통형으로 마련되어 상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극의 사이에 방사상으로 배치되는 복수의 캐소드 전극;
    상기 복수의 캐소드 전극의 둘레에 각각 배치되어 상기 복수의 캐소드 전극을 상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극으로부터 분리하는 복수의 멤브레인을 포함하는 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1애노드 전극과 상기 제2애노드 전극의 사이로 애노드 전해액이 흐르고,
    상기 멤브레인과 상기 캐소드 전극의 사이에는 캐소드 전해액이 흐르는 레독스 흐름 전지용 원통형 단위 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 따른 단위 셀;
    애노드 전해액 탱크;및
    캐소드 전해액 탱크;를 포함하는 레독스 흐름 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    아연-브로민 레독스 커플, 아연-불소 레독스 커플, 아연-염소 레독스 커플, 아연-아이오딘 레독스 커플 및 아연-공기 레독스 커플 중 어느 한 레독스 커플을 이용한 레독스 흐름 전지.
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