KR20190089718A

KR20190089718A - 레독스 플로우 전지

Info

Publication number: KR20190089718A
Application number: KR1020187017493A
Authority: KR
Inventors: 히데유키 야마구치; 세이지 오기노
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2019-07-31
Also published as: US10680254B2; CN108183252A; AU2016432004A1; US20180277859A1; JPWO2018105091A1; EP3553863A1; JP6751275B2; AU2016432004B2; CN207542329U; EP3553863A4; CN108183252B; WO2018105091A1

Abstract

전극과, 프레임체 및 쌍극판을 구비하고, 상기 전극이 끼워 넣어지는 감입(嵌入) 오목부를 갖는 셀 프레임과, 상기 전극을 상기 쌍극판과의 사이에 끼워 넣는 격막을 구비하는 레독스 플로우 전지로서, 상기 전극의 외주 단면(端面) 중, 전해액의 유통 방향에 평행한 측단면(側端面)과, 상기 측단면에 대향하는 상기 감입 오목부의 내벽면의 간격이, 0.1 ㎜ 이상 12 ㎜ 이하인 레독스 플로우 전지.

Description

레독스 플로우 전지

본 발명은 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.

특허문헌 1에는, 셀 프레임, 정극 전극, 격막, 부극 전극, 및 셀 프레임을 복수 적층하고, 그 적층체를 급배판 사이에 끼워 넣은 셀 스택, 및 그 셀 스택을 이용한 레독스 플로우 전지가 기재되어 있다. 셀 프레임은, 정극 전극과 부극 전극 사이에 끼워지는 쌍극판과, 이 쌍극판을 외주로부터 지지하는 프레임체를 구비한다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀 프레임의 쌍극판 사이에 하나의 셀이 형성된다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2014-139905호 공보

본 개시의 레독스 플로우 전지는,

전극과,

프레임체 및 쌍극판을 구비하고, 상기 전극이 끼워 넣어지는 감입(嵌入) 오목부를 갖는 셀 프레임과,

상기 전극을 상기 쌍극판과의 사이에 끼워 넣는 격막을 구비하는 레독스 플로우 전지로서,

상기 전극의 외주 단면(端面) 중, 전해액의 유통 방향에 평행한 측단면(側端面)과, 상기 측단면에 대향하는 상기 감입 오목부의 내벽면의 간격이, 0.1 ㎜ 이상 12 ㎜ 이하이다.

도 1은 실시형태 1에 따른 레독스 플로우 전지의 동작 원리도이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
도 3은 실시형태 1에 따른 셀 스택의 개략 구성도이다.
도 4는 실시형태 1에 따른 셀 프레임과 전극의 조립물을 일면측에서 본 평면도이다.
도 5는 도 4의 V-V 단면도이다.
도 6은 실시형태 2에 따른 셀 프레임과 전극의 조립물을 일면측에서 본 평면도이다.
도 7은 도 6의 VII-VII 단면도이다.
도 8은 변형예에 따른 셀 프레임과 전극의 조립물의 횡단면도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

최근, 재생 가능 에너지의 축전 수단으로서 레독스 플로우 전지가 주목받고 있고, 방전 용량이 큰 레독스 플로우 전지의 개발이 요망되고 있다. 본 발명자들은, 그러한 요청에 응하기 위해서, 전극의 외주 단면과 그 전극의 감입 개소의 내벽면 사이에 누설 유로가 형성되는 것에 주목하였다. 누설 유로는, 전극과, 전극의 외주 단면에 대향하는 부재 사이의 간극이다. 이 누설 유로에 유입된 전해액은 전극에 대부분 접촉하지 않은 채 셀로부터 배출된다. 그 때문에, 누설 유로를 흐르는 전해액이 많아질수록, 레독스 플로우 전지의 방전 용량이 저하되기 때문에, 누설 유로의 크기를 적절히 관리하는 것이 중요하다고 생각된다.

본 개시는, 누설 유로의 크기를 적절한 값으로 관리함으로써, 방전 용량이 우수한 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.

[본 개시의 효과]

본 개시의 레독스 플로우 전지는, 전지 성능이 우수하다.

[본원발명의 실시형태의 설명]

최초로 본원발명의 실시형태의 내용을 열기(列記)하여 설명한다.

<1> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지는,

전극과,

프레임체 및 쌍극판을 구비하고, 상기 전극이 끼워 넣어지는 감입 오목부를 갖는 셀 프레임과,

상기 전극의 외주 단면 중, 전해액의 유통 방향에 평행한 측단면과, 상기 측단면에 대향하는 상기 감입 오목부의 내벽면의 간격이, 0.1 ㎜ 이상 12 ㎜ 이하이다.

셀 프레임의 감입 오목부에 전극을 끼워 넣는 구성에서는, 전극의 외주 단면과 감입 오목부의 내벽면 사이에 누설 유로가 형성된다. 누설 유로 중, 전해액의 유통 방향에 평행한 부분, 즉 전극의 측단면과 그것에 대향하는 감입 오목부의 내벽면 사이에 형성되는 사이드 누설 유로를 좁게 하면, 사이드 누설 유로를 흐르는 전해액의 양을 적게 할 수 있다. 그 결과, 레독스 플로우 전지의 방전 용량의 저하를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 사이드 누설 유로의 폭을 12 ㎜ 이하로 함으로써, 레독스 플로우 전지의 방전 용량의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다. 사이드 누설 유로의 폭을 좁게 하면 사이드 누설 유로에 흐르는 전해액을 적게 할 수 있기 때문에, 사이드 누설 유로의 폭은 6 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3 ㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 전해액의 유통 방향이란, 프레임체 중, 급액 매니폴드가 있는 프레임편(frame piece)으로부터 배출 매니폴드가 있는 프레임편으로 향하는 방향을 말한다.

사이드 누설 유로의 폭이 좁을수록 사이드 누설 유로를 흐르는 전해액을 적게 할 수 있으나, 사이드 누설 유로의 폭이 지나치게 좁으면, 전극에 대면하는 격막이 손상될 우려가 있다. 사이드 누설 유로의 폭이 지나치게 좁으면, 셀의 압축 시나 전해액의 유통 시에 전극의 외주단이 감입 오목부로부터 비어져 나오고, 그 비어져 나온 부분이 격막에 과잉의 면압(面壓)을 작용시키는 경우가 있기 때문이다. 그 때문에, 사이드 누설 유로의 폭을 0.1 ㎜ 이상으로 하는, 즉 감입 오목부보다 한 단계 작은 전극으로 함으로써, 감입 오목부로부터 전극이 비어져 나오는 것을 억제하여, 격막에 과잉의 면압이 작용하는 것을 억제할 수 있다. 전극의 비어져 나옴을 확실하게 억제하기 위해서, 사이드 누설 유로의 폭은 1 ㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.5 ㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

<2> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 일 형태로서,

상기 감입 오목부는, 상기 프레임체의 내주 단면(端面)과, 상기 전극에 대면하는 상기 쌍극판의 일면으로 구성되는 형태를 들 수 있다.

상기 구성에서는, 프레임체의 내주측의 윤곽 형상이, 감입 오목부의 개구부의 윤곽 형상을 형성한다. 즉, 셀 프레임에 원래 설치되어 있는 프레임체와 쌍극판의 단차 부분을 감입 오목부로 하는 구성이며, 감입 오목부에 전극을 끼워 넣기 쉽다.

<3> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 일 형태로서,

상기 감입 오목부는, 상기 쌍극판의 일면에 형성되는 오목부에 의해 형성되는 형태를 들 수 있다.

프레임체는, 셀의 구성 부재를 체결하는 체결 기구의 응력이 작용하는 부재이며, 인접하는 프레임체 사이에 전극이 끼워지면, 셀로부터 전해액이 누설될 우려가 있다. 쌍극판에 감입 오목부를 형성하는 상기 구성에 의하면, 프레임체에 전극이 끼워 넣어질 가능성을 매우 낮게 할 수 있다.

<4> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 일 형태로서,

상기 간격은, 1.5 ㎜ 이상 3 ㎜ 이하인 형태를 들 수 있다.

상기 간격을 1.5 ㎜ 이상 3 ㎜ 이하로 함으로써, 과잉의 면압이 격막에 작용하는 것을 보다 효과적으로 억제하면서, 사이드 누설 유로를 흐르는 전해액의 양을 작게 할 수 있다. 그 결과, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 개시의 레독스 플로우 전지(RF 전지)의 실시형태를 설명한다. 한편, 본 발명은 실시형태에 나타나는 구성에 한정되는 것은 아니며, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것을 의도한다.

<실시형태 1>

실시형태에 따른 레독스 플로우 전지(이하, RF 전지)를 도 1 내지 도 5에 기초하여 설명한다.

《RF 전지》

RF 전지는, 전해액 순환형의 축전지의 하나이며, 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 신에너지의 축전에 이용되고 있다. 도 1의 RF 전지(1)의 동작 원리도에 도시된 바와 같이, RF 전지(1)는, 정극용 전해액에 포함되는 활물질 이온의 산화 환원 전위와, 부극용 전해액에 포함되는 활물질 이온의 산화 환원 전위의 차를 이용하여 충방전을 행하는 전지이다. RF 전지(1)는, 수소 이온을 투과시키는 격막(101)에 의해 정극 셀(102)과 부극 셀(103)로 분리된 셀(100)을 구비한다.

정극 셀(102)에는 정극 전극(4)이 내장되고, 또한 정극용 전해액을 저류하는 정극 전해액용 탱크(106)가 도관(108, 110)을 통해 접속되어 있다. 도관(108)에는 펌프(112)가 설치되어 있고, 이들 부재(106, 108, 110, 112)에 의해 정극용 전해액을 순환시키는 정극용 순환 기구(100P)가 구성되어 있다. 마찬가지로, 부극 셀(103)에는 부극 전극(5)이 내장되고, 또한 부극용 전해액을 저류하는 부극 전해액용 탱크(107)가 도관(109, 111)을 통해 접속되어 있다. 도관(109)에는 펌프(113)가 설치되어 있고, 이들 부재(107, 109, 111, 113)에 의해 부극용 전해액을 순환시키는 부극용 순환 기구(100N)가 구성되어 있다. 각 탱크(106, 107)에 저류되는 전해액은, 충방전 시에 펌프(112, 113)에 의해 셀(102, 103) 내에 순환된다. 충방전을 행하지 않는 경우, 펌프(112, 113)는 정지되어, 전해액은 순환되지 않는다.

《셀 스택》

상기 셀(100)은 통상, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같은, 셀 스택(200)이라고 불리는 구조체의 내부에 형성된다. 셀 스택(200)은, 서브 스택(200s)(도 3)이라고 불리는 적층 구조물을 그 양측으로부터 2장의 엔드 플레이트(210, 220) 사이에 끼워 넣고, 체결 기구(230)로 체결함으로써 구성되어 있다[도 3에 예시하는 구성에서는, 복수의 서브 스택(200s)을 이용하고 있다].

서브 스택(200s)(도 3)은, 셀 프레임(2), 정극 전극(4), 격막(101), 및 부극 전극(5)을 복수 적층하고, 그 적층체를 급배판(190, 190)(도 3의 하측 도면 참조, 도 2에서는 생략) 사이에 끼워 넣은 구성을 구비한다.

《셀 프레임》

셀 프레임(2)은, 관통창을 갖는 프레임체(22)와, 그 관통창을 막는 쌍극판(21)을 갖고 있다. 즉, 프레임체(22)는, 쌍극판(21)을 그 외주측으로부터 지지하고 있다. 쌍극판(21)의 일면측에는 정극 전극(4)이 접촉하도록 배치되고, 쌍극판(21)의 타면측에는 부극 전극(5)이 접촉하도록 배치된다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀 프레임(2)에 끼워 넣어진 쌍극판(21) 사이에 하나의 셀(100)이 형성되게 된다(도 3의 상측 도면을 참조).

도 3의 하측 도면에 도시된 급배판(190, 190)을 통한 셀(100)에의 전해액의 유통은, 셀 프레임(2)의 프레임체(22)에 형성되는 급액용 매니폴드(123, 124)와, 배액용 매니폴드(125, 126)에 의해 행해진다(도 4를 아울러 참조). 정극용 전해액은, 급액용 매니폴드(123)로부터 셀 프레임(2)의 일면측(지면 앞쪽)에 형성되는 입구 슬릿(123s)(도 4)을 통해 정극 전극(4)에 공급되고, 셀 프레임(2)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(125s)(도 4)을 통해 배액용 매니폴드(125)에 배출된다. 마찬가지로, 부극용 전해액은, 급액용 매니폴드(124)로부터 셀 프레임(2)의 타면측(지면 뒤쪽)에 형성되는 입구 슬릿(124s)(도 4)을 통해 부극 전극(5)에 공급되고, 셀 프레임(2)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(126s)(도 4)을 통해 배액용 매니폴드(126)에 배출된다. 각 셀 프레임(2) 사이에는, O링이나 평패킹 등의 환형 시일 부재(127)(도 3)가 배치되어, 서브 스택(200s)으로부터의 전해액의 누설이 억제되어 있다. 본 예에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 프레임(2)에 O링을 끼워 넣는 시일홈(127s)이 형성되어 있다[평패킹을 채용하는 경우, 시일홈(127s)은 없어도 됨]. 또한, 도시하고 있지 않으나, 각 매니폴드(123, 124, 125, 126)의 외주를 둘러싸도록 시일 부재가 설치되어 있어도 좋다. 이러한 셀 프레임(2)에서의 전체적인 전해액의 흐름 방향(유통 방향)은, 프레임체(22) 중, 급액 매니폴드(123, 124)가 있는 프레임편으로부터 배출 매니폴드(125, 126)가 있는 프레임편으로 향하는 방향, 즉 도 4의 지면 상방향이 된다.

본 예의 프레임체(22)는, 도 4의 V-V 단면도인 도 5에 도시된 바와 같이, 단면 형상이 적층 방향(도면 상에서는 상하 방향)으로 대칭인 형상을 갖는 2장의 프레임형 분할체(22A, 22B)를 접합시킴으로써 형성되어 있다. 프레임형 분할체(22A, 22B)의 관통창측(지면 중앙측)은, 박육(薄肉)으로 형성되어 있고, 2장의 프레임형 분할체(22A, 22B)를 접합시켰을 때에, 양 프레임형 분할체(22A, 22B)의 박육부 사이에 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분을 수납하는 공간이 형성되어 있다.

프레임체(22)의 재료는, 절연성이 우수한 것이 바람직하고, 덧붙여 내산성을 갖는 것이 보다 바람직하다. 프레임체(22)의 재료로서, 예컨대, 염화비닐, 염소화폴리에틸렌, 염소화파라핀 등을 이용할 수 있다.

한편, 쌍극판(21)은, 도 5의 단면도에 도시된 바와 같이, 그 일면측이 정극 전극(4)에 접촉하고, 타면측이 부극 전극(5)에 접촉하는 부재이다. 본 예의 쌍극판(21)은, 대략 똑같은 두께를 갖는 판재(板材)이다.

상기 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분은, 도 5에 도시된 바와 같이, 프레임체(22)를 구성하는 2장의 프레임형 분할체(22A, 22B) 사이에 끼워 넣어져 있다. 이 끼워 넣어짐에 의해, 쌍극판(21)은 프레임체(22)에 일체로 고정되어 있다. 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분에는 홈이 형성되어 있고, 그 홈에 O링(시일 부재)(21s)이 배치되어 있다. 이 시일 부재(21s)에 의해, 쌍극판(21)의 일면측과 타면측 사이의 전해액의 유통을 억제하고 있다.

쌍극판(21)의 재료는, 도전성이 우수한 것이 바람직하고, 덧붙여 내산성 및 가요성을 갖는 것이 보다 바람직하다. 예컨대, 탄소재를 함유하는 도전성 재료로 이루어지는 것을 들 수 있고, 구체적으로는, 흑연과 염소화 유기 화합물로 이루어지는 도전성 플라스틱을 들 수 있다. 그 흑연의 일부를 카본 블랙과 다이아몬드 라이크 카본 중 적어도 한쪽으로 치환한 도전성 플라스틱이어도 좋다. 이 염소화 유기 화합물에는, 염화비닐, 염소화폴리에틸렌, 염소화파라핀 등을 들 수 있다. 이러한 재료로 쌍극판(21)을 구성함으로써, 전기 저항이 작고, 또한 내산성 및 가요성이 우수한 쌍극판(21)으로 할 수 있다.

《전극》

정극 전극(4) 및 부극 전극(5)은 각각, 도 5에 도시된 바와 같이, 쌍극판(21)의 일면측(지면 상측)과 타면측(지면 하측)에 배치된다. 보다 구체적으로는, 정극 전극(4)[부극 전극(5)]은, 프레임체(22)의 내주 단면(22i)(동그라미로 에워싼 확대도 참조)과, 정극 전극(4)[부극 전극(5)]에 대면하는 쌍극판(21)의 일면으로 구성되는 감입 오목부[24(25)]에 끼워 넣어져 있다. 감입 오목부(24)에 대해서는 도 4도 아울러 참조할 것. 도 4에서는, 감입 오목부(25)(도 5)는 도시되어 있지 않으나, 감입 오목부(24)와 동일한 구성을 구비한다.

셀 프레임(2)의 감입 오목부(24, 25)에 전극(4, 5)을 끼워 넣는 구성에서는, 전극(4, 5)의 외주 단면(4o, 5o)과 감입 오목부(24, 25)의 내벽면(24i, 25i)[내주 단면(22i)] 사이에 누설 유로(3)가 형성된다. 누설 유로(3) 중, 전해액의 유통 방향(도 5에 있어서는 지면 전방으로부터 안쪽으로 향하는 방향)에 평행한 부분을 특별히 사이드 누설 유로(3s)라고 부른다. 구체적으로는, 사이드 누설 유로(3s)는, 전극(4, 5)의 측단면(4os, 5os)과, 그것에 대향하는 감입 오목부(24, 25)의 내벽면(24i, 25i) 사이에 형성된다. 이 사이드 누설 유로(3s)의 폭은, RF 전지(1)(도 1, 도 2)의 방전 용량에 영향을 준다. 사이드 누설 유로(3s)의 폭이 넓어지면, 전극(4, 5)에 그다지 접촉하지 않고 셀(100)(도 1, 도 2) 밖으로 배출되는 전해액의 양이 많아지기 때문이다. 이러한 관점에서, 사이드 누설 유로(3s)의 폭(지면 좌우 방향)을 좁게 하면, 사이드 누설 유로(3s)를 흐르는 전해액의 양을 적게 할 수 있어, RF 전지(1)의 방전 용량의 저하를 억제할 수 있다고 생각된다. 본 예에서는, 사이드 누설 유로(3s)의 폭을 12 ㎜ 이하로 하고 있고, 그 결과로서 RF 전지(1)의 방전 용량의 저하를 효과적으로 억제하고 있다. 사이드 누설 유로(3s)의 폭을 좁게 하면 사이드 누설 유로(3s)에 흐르는 전해액을 적게 할 수 있기 때문에, 사이드 누설 유로(3s)의 폭은 6 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3 ㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

사이드 누설 유로(3s)의 폭이 좁을수록 사이드 누설 유로(3s)를 흐르는 전해액을 적게 할 수 있으나, 사이드 누설 유로(3s)의 폭이 지나치게 좁으면, 전극(4, 5)에 직접 대면하는 격막(101)(도 3 상측 도면 참조)이 손상될 우려가 있다. 사이드 누설 유로(3s)의 폭이 지나치게 좁으면, 셀(100)(도 1)의 압축 시나 전해액의 유통 시에 전극(4, 5)의 외주측의 단부가 감입 오목부(24, 25)로부터 비어져 나오고, 그 비어져 나온 부분이 프레임체(22)에 얹혀, 격막(101)에 과잉의 면압을 작용시키는 경우가 있기 때문이다. 그 때문에, 사이드 누설 유로(3s)의 폭을 0.1 ㎜ 이상으로 하는, 즉 감입 오목부(24, 25)보다 한 단계 작은 전극(4, 5)으로 함으로써, 감입 오목부(24, 25)로부터 전극(4, 5)이 비어져 나오는 것을 억제하여, 격막(101)에 과잉의 면압이 작용하는 것을 억제한다. 전극(4, 5)의 비어져 나옴을 확실하게 억제하기 위해서, 사이드 누설 유로(3s)의 폭은 1 ㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.5 ㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

여기서, 전극(4, 5)은 다공체이며, 인접하는 셀 프레임(2) 사이에서 압축되어도, 그 평면 방향의 사이즈는 거의 변화하지 않는다. 따라서, 셀 스택(200)(도 3)을 해체하여, 도 5의 감입 오목부[24(25)]와 전극[4(5)] 사이의 사이드 누설 유로(3s)의 폭을 측정하면, 그 측정값이 셀 스택(200) 내에서의 사이드 누설 유로(3s)의 폭과 동일하다고 생각해도 좋다. 즉, 셀 스택(200)을 조립하기 전에, 감입 오목부[24(25)]에 미압축의 전극[4(5)]을 끼워 넣어 측정한 사이드 누설 유로(3s)의 폭도, 셀 스택(200) 내에서의 사이드 누설 유로(3s)의 폭도, 셀 스택(200)을 해체한 후에 측정한 사이드 누설 유로(3s)의 폭도, 실질적으로 동일하다고 생각할 수 있다.

상기 전극(4, 5)의 재료는, 도전성이 우수한 것이 바람직하고, 덧붙여 내산성을 갖는 것이 보다 바람직하다. 예컨대, 탄소재의 섬유로 이루어지는 직포나 부직포에 의해 전극(4, 5)을 구성할 수 있다. 그 외, 카본 페이퍼 등을 전극(4, 5)으로서 이용할 수도 있다.

《시험예》

사이드 누설 유로(3s)의 폭이 상이한 복수의 RF 전지(1)(시험체 A∼G)를 제작하고, 각 시험체 A∼G에 대해 충방전 시험을 행하며, 각 시험체 A∼G의 셀 저항률을 비교하였다. 충방전 시험의 조건은, 방전 종료 전압: 1 V, 충전 종료 전압: 1.6 V, 전류: 120 ㎃/㎠로 하였다. 방전 용량·전류 효율의 평가는, 충방전 시험에 기초하여 충방전 곡선을 작성하고, 그 충방전 곡선으로부터 3사이클째의 방전 용량·전류 효율의 평가를 행하였다.

·시험체 A…사이드 누설 유로(3s)의 폭이 0.0 ㎜인 RF 전지(1)

·시험체 B…사이드 누설 유로(3s)의 폭이 0.1 ㎜인 RF 전지(1)

·시험체 C…사이드 누설 유로(3s)의 폭이 1.5 ㎜인 RF 전지(1)

·시험체 D…사이드 누설 유로(3s)의 폭이 3 ㎜인 RF 전지(1)

·시험체 E…사이드 누설 유로(3s)의 폭이 6 ㎜인 RF 전지(1)

·시험체 F…사이드 누설 유로(3s)의 폭이 12 ㎜인 RF 전지(1)

·시험체 G…사이드 누설 유로(3s)의 폭이 13 ㎜인 RF 전지(1)

충방전 시험 후에 각 시험체 A∼G를 해체한 결과, 사이드 누설 유로(3s)의 폭이 실질적으로 0.0 ㎜인 시험체 A에서는, 격막(101) 중, 감입 오목부[24(25)]의 부분에 깨짐이 발생하고 있었다. 격막(101)의 깨짐은, 셀(100)의 압축 시에 감입 오목부[24(25)]로부터 전극(4, 5)이 비어져 나오고, 그 비어져 나온 부분이 프레임체(22)에 얹혀, 격막(101)에 응력 집중이 발생했기 때문에 생겼다고 생각된다. 또한, 사이드 누설 유로(3s)의 폭이 매우 넓은 13 ㎜인 시험체 G에서는, 격막(101) 중, 감입 오목부[24(25)] 근방의 부분에 격막(101)의 신장이 형성되어 있었다. 시험체 G의 격막(101)의 신장은, 넓은 사이드 누설 유로(3s)의 부분에서 격막(101)이 정극 전극(4)·부극 전극(5)에 발생하는 차압, 혹은 전극(4, 5)의 반발력을 받아 신장해 버렸기 때문에 발생했다고 생각된다. 다른 시험체 B, C, D, E, F에서는, 격막(101)에 깨짐이나 신장이 형성되는 등의 문제는 보여지지 않았다.

한편, 충방전 시험을 평가한 결과, 시험체 A의 평가는 불가였다. 시험 후에 시험체 A의 셀(100)을 해체한 결과 격막(101)이 깨져 있는 것이 확인되었다. 시험체 B∼G는 평가 가능하며, 시험체 C, D의 방전 용량이 가장 높고, 다른 시험체 B, E, F, G의 방전 용량은, 시험체 C, D의 방전 용량보다 각각, -3%, -4%, -7%, -30%로 낮은 결과가 되었다. 또한, 전류 효율은 시험체 C, D, E에서 98%로 가장 높고 다른 시험체 B, F, G에서는 97%. 97%, 60%로 전류 효율의 저하가 보여졌다.

상기 시험예의 결과로부터, 사이드 누설 유로(3s)의 폭은 0.1 ㎜ 이상 12 ㎜ 이하로 하면, 격막(101)에 깨짐·신장 등의 문제가 발생하기 어렵고, 또한 RF 전지(1)의 방전 용량의 저하가 억제되는 것을 알 수 있었다. 또한, RF 전지(1)의 방전 용량의 저하를 억제하는 관점에서, 사이드 누설 유로(3s)의 폭은, 6 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3 ㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직한 것이 명백해졌다.

<실시형태 2>

실시형태 2에서는, 쌍극판(21)에 전극(4, 5)의 감입 오목부(24, 25)를 형성한 구성을 도 6, 도 7에 기초하여 설명한다. 도 6은 셀 프레임(2)을 정극 전극(4)측에서 본 평면도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII 단면도이다.

본 예의 셀 프레임(2)에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 프레임체(22)의 내주 가장자리 부분(관통창 근방 부분)에 형성한 단차 부분(22c)에, 박육으로 형성한 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분(21c)을 결합시킨 감입 구조를 채용하고 있다. 단차 부분(22c)은, 프레임체(22)의 관통창을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸는 주연부(周緣部)가 프레임체(22)의 다른 부분보다 얇게 됨으로써 구성되어 있다. 또한, 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분(21c)은, 프레임체(22)의 단차 부분(22c)에 결합되도록 국소적으로 얇게 되어 있다. 외주 가장자리 부분(21c)의 표면은, 프레임체(22)의 단차 부분(22c)에 끼워 넣었을 때에, 프레임체(22)에서의 단차 부분(22c) 이외의 부분의 양면과 거의 동일면으로 되어 있다. 한편, 쌍극판(21)의 부극 전극(5)측의 면은, 프레임체(22)의 단차 부분(22c)에 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분(21c)을 끼워 넣었을 때에, 프레임체(22)의 면보다 움푹 들어간 위치에 배치된다.

단차 부분(22c)에 쌍극판(21)을 끼워 넣음으로써, 프레임체(22)의 단차 부분(22c)과 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분(21c)이, 전체 둘레에 걸쳐 프레임체(22)의 두께 방향으로 결합된다. 그 결과, 프레임체(22)의 관통창이 쌍극판(21)으로 막혀진 상태가 된다. 여기서, 도 5에 도시된 바와 같이, 감입 구조를 채용하는 경우, 쌍극판(21)의 일면측과 타면측 사이에서 전해액이 유통되지 않도록 하기 위해서, 프레임체(22)와 쌍극판(21) 사이에 시일할 필요가 있다. 본 예에서는, 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분(21c) 중, 단차 부분(22c)에 대향하는 부분에 환형의 홈을 형성하고, 그 홈에 O링(시일 부재)(21s)을 배치하고 있다. O링(21s)은, 복수의 셀 프레임(2)을 적층하여 체결했을 때에 압축되어, 시일로서 기능한다. 그 외, 평패킹이나 접착제 등으로, 프레임체(22)의 단차 부분(22c)과, 쌍극판(21)의 외주 가장자리 부분(21c) 사이를 시일해도 상관없다.

또한, 본 예의 쌍극판(21)에서의 정극 전극(4)에 대향하는 부분에는, 정극 전극(4)을 끼워 넣는 감입 오목부(24)가 형성되어 있다(도 4를 아울러 참조). 이 경우, 쌍극판(21)에 형성되는 감입 오목부(24)의 내벽면(24i)과, 정극 전극(4)의 측단면(4os) 사이에 사이드 누설 유로(3s)가 형성된다. 이 사이드 누설 유로(3s)의 폭도, 실시형태 1과 마찬가지로, 0.1 ㎜ 이상 12 ㎜ 이하로 함으로써, 정극 전극(4)에 직접 대면하는 격막(101)(도 3)의 손상을 억제하면서, RF 전지(1)(도 1, 도 2)의 방전 용량의 저하를 억제할 수 있다. 사이드 누설 유로(3s)의 폭의 상한은, 6 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3 ㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 사이드 누설 유로(3s)의 폭의 하한은, 1 ㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.5 ㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

한편, 부극 전극(5)을 끼워 넣는 감입 오목부(25)는, 실시형태 1과 마찬가지로, 프레임체(22)의 내주 단면(22i)과, 쌍극판(21)에서의 부극 전극(5)에 대향하는 일면으로 구성되어 있다. 따라서, 내주 단면(22i)과 부극 전극(5)의 측단면(5os) 사이에 사이드 누설 유로(3s)가 형성된다. 이 부극 전극(5)측의 사이드 누설 유로(3s)의 폭은, 실시형태 1과 동일하게 설정하면 된다. 그렇게 함으로써, 부극 전극(5)에 직접 대면하는 격막(101)(도 3)의 손상을 억제하면서, RF 전지(1)(도 1, 도 2)의 방전 용량의 저하를 억제할 수 있다.

《변형예》

도 8에 도시된 바와 같이, 쌍극판(21)에서의 정극 전극(4)측의 면에 감입 오목부(24)를 형성하는 것에 더하여, 쌍극판(21)에서의 부극 전극(5)측의 면에도, 감입 오목부(25)를 형성해도 좋다. 이 구성에 의하면, 정극 전극(4)의 평면 방향의 크기와 부극 전극(5)의 평면 방향의 크기를 동일하게 할 수 있다.

<실시형태 3>

실시형태 1의 도 5에 도시된 2개의 프레임형 분할체(22A, 22B) 사이에 쌍극판(21)을 끼워 넣는 구성에 있어서, 쌍극판(21)에서의 정극 전극(4)[부극 전극(5)]에 대응하는 부분에 오목부를 형성하고, 그 오목부에 정극 전극(4)[부극 전극(5)]을 끼워 넣는 구성으로 해도 좋다. 이 구성에서는, 쌍극판(21)의 정극 전극(4)측[부극 전극(5)측]의 오목부와, 프레임체(22)의 내주 단면(22i)으로 감입 오목부[24(25)]가 형성된다.

1: RF 전지(레독스 플로우 전지) 2: 셀 프레임
21: 쌍극판 21c: 외주 가장자리 부분
21s: O링(시일 부재) 22: 프레임체
22A, 22B: 프레임형 분할체 22c: 단차 부분
22i: 내주 단면 22s: O링(시일 부재)
24, 25: 감입 오목부 24i, 25i: 내벽면
123, 124: 급액용 매니폴드 125, 126: 배액용 매니폴드
123s, 124s: 입구 슬릿 125s, 126s: 출구 슬릿
127: 시일 부재 127s: 시일홈
3: 누설 유로 30: 사이드 누설 유로
4: 정극 전극 4o: 외주 단면
4os: 측단면 5: 부극 전극
5o: 외주 단면 5os: 측단면
100: 셀 101: 격막
102: 정극 셀 103: 부극 셀
100P: 정극용 순환 기구 100N: 부극용 순환 기구
106: 정극 전해액용 탱크 107: 부극 전해액용 탱크
108, 109, 110, 111: 도관 112, 113: 펌프
190: 급배판 200: 셀 스택
200s: 서브 스택 210, 220: 엔드 플레이트
230: 체결 기구

Claims

전극과,
프레임체 및 쌍극판을 포함하고, 상기 전극이 끼워 넣어지는 감입(嵌入) 오목부를 포함하는 셀 프레임과,
상기 전극을 상기 쌍극판과의 사이에 끼워 넣는 격막을 포함하는 레독스 플로우 전지로서,
상기 전극의 외주 단면(端面) 중, 전해액의 유통 방향에 평행한 측단면(側端面)과, 상기 측단면에 대향하는 상기 감입 오목부의 내벽면의 간격이, 0.1 ㎜ 이상 12 ㎜ 이하인 것인 레독스 플로우 전지.
제1항에 있어서, 상기 감입 오목부는, 상기 프레임체의 내주 단면과, 상기 전극에 대면하는 상기 쌍극판의 일면으로 구성되는 것인 레독스 플로우 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 감입 오목부는, 상기 쌍극판의 일면에 형성되는 오목부에 의해 형성되는 것인 레독스 플로우 전지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 간격은, 1.5 ㎜ 이상 3 ㎜ 이하인 것인 레독스 플로우 전지.