KR20190113791A - 플로우-바이 전극 유니트 및 그 용도, 레독스 플로우 배터리 시스템 및 그 용도, 플로우-바이 전극 유니트 제조 방법, 및 레독스 플로우 배터리 시스템 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
플로우-바이 전극 유니트는 특히, 레독스 플로우 배터리를 위한 것으로서, 기재를 포함하고, 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조를 가진 플로우-바이 전극을 포함한다. 또한, 플로우-바이 전극 유니트의 용도, 플로우-바이 전극 유니트의 제조 방법, 레독스 플로우 배터리 시스템 및 그 용도, 및 레독스 플로우 배터리의 작동 방법이 설명된다.
Description
본 발명은 플로우-바이(flow-by) 전극 유니트 및 그 용도, 레독스(redox) 플로우 배터리 시스템 및 그 용도, 플로우-바이 전극 유니트 제조 방법, 및 레독스 플로우 배터리 시스템 작동 방법에 관한 것이다.
레독스 플로우 배터리(RFB)들은 가역적인 산화환원 쌍(redox couple)을 형성하는, 분자들 및/또는 이온들 내에 화학 에너지 형태로 포함된 전기 에너지를 저장하기 위한 전기화학적 저장 디바이스들이다. 그것은 분자들 및/또는 이온들이 가역적으로 환원가능하고 산화가능함을 의미한다. 아래의 상세한 설명에서, "분자들"이라는 용어는 중성 분자들 또는 대전된 분자들 및/또는 이온들을 포함하는 정의로서 사용된다.
레독스 플로우 배터리들의 원리는 업계에 알려져 있다. 레독스 플로우 배터리들의 특수한 형태, 전바나듐계 레독스 플로우 배터리(All Vanadium Redox Flow Battery)는 1980년대 뉴 사우스 웨일즈 대학의 마리아 스킬라스-카자코스에 의해 개발되고 특허되었다(AU575247). 그 이후, RFB들은 틈새 응용들에 사용되고 있다. 최근 몇 년간, 재생 에너지 및 그 결과 초래된 에너지 저장/공급 응용들을 위한 요구에 대한 엄청난 관심에 기인하여, RFB 기술의 상업적 활용에 대한 주목이 증가하고 있다.
다른 배터리들과 비교하여, RFB들은 대규모 에너지 저장 디바이스들을 위해 사용될 때 많은 장점들을 제공한다. RFB들은 기타 배터리들과 대조적으로 자기-방전의 정도가 낮고, 방전율에 대한 저항이 높고, 비가역적인 용량 손실이 실질적으로 없음을 보여준다. 다른 배터리 기술들에 대한 결정적인 차이는, 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환 및 전기적 에너지를 화학적 에너지로 변환을 제공하는 배터리의 부품으로부터 저장 매체를 공간적으로 분리하는 것이다. 또한, 이것은 RFB의 개별적인 컴포넌트들의 교환을 가능하게 한다.
도 1은 RFB의 구성을 개략적으로 도시한다. 에너지의 변환은 유압적으로 별개의 2개의 공간들 소위, 반-전지(half-cell)들(12,14)로 구성된 셀(10) 내에서 가능하게 된다. 반-전지들(12,14)은 전극(16,18)을 각각 포함하고 선택적 이온-투과성 멤브레인(20)에 의해 분리된다. 에너지가 그 안에 저장된 화학종(chemical species)은 유체 내에 특히, 이온-전도성이므로 전하 캐리어(charge carrier)들의 전달을 허용하는, 액체 내에 용해된다. RFB들을 다룰 때, 저장 물질과 이온-전도성 유체의 용액은 단지 전해질로 명명된다. 2개의 반-전지들의 조합은 분자들 및/또는 이온들의 상이한 산화환원 쌍들을 포함하는 2개의 상이한 전해질들이 필요하다. 2개의 산화환원 쌍들 사이의 산화환원 전위의 차이는 셀의 오프-로드(off-load) 전압을 초래한다. 더 높은 산화환원 전위를 가진 반-전지는 셀의 양(positive)의 전극을 나타내고 양극 측으로 명명되고, 더 낮은 산화환원 전위를 가진 반-전지는 음(negative)의 전극을 나타내고 음극 측으로 명명된다.
RFB의 작동 동안, 2개의 전해질들은 각각의 반-전지들(12,14)을 통과하여 전달됨으로써(도 1의 화살표들 참조) 2개의 전극들(16,18) 사이에 전압을 생성한다. 전해질 전달을 위해, 일반적으로 각각의 반-전지(12,14)는 펌프(26,28)를 포함하는 도관(22,24)을 통해 전해질 저장소 예컨대, 탱크들(30,32)에 연결된다. 외부 전기 회로(미도시)를 경유하여 전극들을 커플링한 후에, 음의 반-전지 내부의 화학종으로부터 나오는 전자들은 전극으로 전달되고, 그로부터 전자들은 외부 전기 회로를 경유하여 양의 반-전지의 전극으로 유도되어, 더 높은 산화환원 전위를 가진 화학종으로 전달된다. 외부 전기 회로를 경유하는 이러한 종류의 전하 전달은 전기 회로로서 이용될 수 있다. 2개 모두의 전해질 내에 전기적 중성을 발휘하기 위해서, 2개의 반-전지들을 분리하는 멤브레인을 통해 이온들 또는 대전된 분자들에 관한 전하들의 동시 유동이 필요하다. 이러한 공정은 파워 소스를 외부 회로에 연결함으로써 가역적이고, 파워 소스의 전압은 2개의 전극들의 전위차보다 더 크게 되어 있다. 그러므로, 전해질 내부의 실질적으로 모든 전기종(electrical species)이 그들의 산화 상태들로 변화될 때까지, 전하의 전달은 뒤바뀌고 전기 에너지는 배터리 내에 저장된다. 결과적인 전해질은 외부 탱크들(30,32) 내에 분리되게 저장되고, 충전 또는 방전 동안 전해질들은 탱크들로부터 도관들(22,24)과 펌프들(26,28)을 이용하여, 각각의 반-전지들(12,14)을 통과하여 분리되어 순환된다.
여러 개의 셀들(10)은 직렬로 커플링되어 통상의 배터리들과 유사한 스택(stack)을 형성할 수 있다. 도 2a는 RFB 내에 사용되는 선행기술의 배터리 스택(40)의 구조를 나타낸다. 스택(40) 내부에서, 셀들(10)은 바이폴라(bipolar) 플레이트들(42)에 의해 분리된다. 스택(40)은 2개의 엔드플레이트들(44)에 의해 갇힌다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 스택(40)의 총전압(U)은 개별 셀의 전압들(U1 내지 Un)의 합으로부터 얻어진다. 일반적으로, 전해질은 개별 셀들에 평행하게 공급된다. 그것은 모든 양의 반-전지들이 유체적으로 및/또는 유압적으로 평행하게 연결되고, 양의 반-전지들 내부의 전해질은 일반적으로 동일한 유동 방향(도 2a의 화살표들 참조)으로 유동됨을 의미한다. 모든 음의 반-전지들의 경우에도 동일한 내용이 적용된다. 각각의 셀(10) 내부에서, 양의 반-전지들과 음의 반-전지들의 전해질 흐름은 도 2a에 도시된 바와 같이 동일한 유동 방향으로(동류) 또는 반대의 유동 방향으로(역류) 유동할 수 있다.
도 2b는 배터리 스택(40)과 저항들의 등가 망조직 선도를 나타낸다. 전해질은 상응하는 개별 반-전지들로 평행하게 공급된다는 사실에 기인하여, 스택의 구성은 각각의 반-전지들 사이에 많은 수의 유압적 및/또는 유체 연결들이 필요하다. 전해질이 그곳을 통해 유동되고 상응하는 반-전지들 사이에 배치된 유압적/유체 연결들은 전기 전도성이다. 따라서, 반-전지들 사이의 유압적/유체 연결들은 전기 저항들과 등가인 다수의 션트(shunt)들(41)을 반영한다.
각각의 셀(10) 내부의 공정들은 고체 상태와 액체 상태 사이의 계면에서 반응들이 수행하는 화학 용기(chemical vessel)들의 하나(고정상 반응기, 유동 반응기)에 상응한다. 셀에 의해 얻을 수 있는 전류는 전해질 내부의 분자들 및/또는 이온들의 전극들의 표면까지의 수송에 의해 결정된다. 전극 표면까지의 수송은 다양한 수송 메커니즘에 의해 좌우된다. 수송 메커니즘들은 레독스 플로우 셀들의 구축에 의해 영향을 받을 수 있다. 주요한 수송 메커니즘들은 대류(convective) 수송과 확산(diffusion) 수송이다. 대량의 대류 수송은 셀들로 공급되는 전해질의 체적 유량(volume flow)에 의해 영향을 받을 수 있다. 단위 시간당 특정의 전류를 제공하기 위해, 분자들 및/또는 이온들의 화학량론적 양은 요구되는 전하 량을 고려하기 위해 셀로 전달되어야 한다. 실제로, 유동 방향을 따른 전해질 내부의 전위 기울기를 최소화하기 위해, 이온들 및/또는 분자들(대전된)의 다수의 화학량론적 과잉이 셀 속으로 공급된다. 그러므로, 셀을 통해 전해질이 통과하는 동안, 분자들의 경우 10% 더 적은 이용도(level of utilization)가 바람직하다. 이와 관련하여, "한계 전류 밀도(limiting current density)"라는 용어는 셀을 통과하는 특정의 체적 유량에서 유동 방향에 평행한 기하학적 전극 표면에 대한 최대 가능 전류를 명시하는데 이용된다.
유체역학적 경계층들은 유체들이 맞대어 유동하는 표면들과 유체들 사이의 경계에 형성된다. 유체역학적 경계층들 내부에서, 대량 수송은 상대적으로 느린 대량의 확산 이송에 의해 거의 배타적으로 진행한다. 확산의 법칙에 따르면, 경계층을 통과하여 표면을 향하는 대량 흐름에 관련된 표면은 경계층의 두께와 표면에 직교하는 농도 기울기에 의존한다. RFB 내의 농도 기울기는 배터리의 충전의 특정 상태의 분자들의 실제 농도에 의해 결정되고, 반-전지들을 통과하는 체적 유량에 의해 단지 제한된 정도로 영향을 받을 수 있다.
RFB들의 에너지 효율은 전압 효율과 쿨롱(Coulomb) 효율 또는 충방전(charge) 효율에 의해 결정된다. RFB들을 이용하는 에너지 저장용 시스템들에서, 손실은 기생(parasitic) 부하들에 기인하여 예를 들어, 배터리 관린 시스템과 펌프들에 기인하여 발생한다. RFB들의 작동에서 관찰되는 실질적인 전압 손실들은 아래에서 언급된 바와 같은 3개의 상이한 영향들에 상관될 수 있다.
첫째 영향은, 에너지 손실을 제공하고, 전압에 의해 형성되고, 평형 전위로부터 시작하여 극복되어야만 하는, 활성화(activation) 과전압으로 명명되는 활성화 에너지에 기인한다. 반응을 하게 될 분자들과 전극 표면들의 활성기(active group)들 사이의 전자들의 전달이 가능하도록 하기 위해, 이러한 활성화 에너지가 필요하다. 이러한 손실은 매우 낮은 전류 밀도에서 생긴다.
제2 영향은 예컨대, 전기 도체들, 전극들, 전해질들, 멤브레인과 같이, 셀의 각각의 컴포넌트 내에서 나타나고 전하 캐리어들이 그것을 통해 제거되어야 할 옴(ohmic) 손실에 기반한다. 옴 손실은 셀을 통과하여 흐르는 전류들에 직접적으로 비례한다. 개별적으로, 병렬로 연결된 컴포넌트들 내에서 발생하는 이들 손실의 기여는 셀 시스템의 총손실에 과전압의 형태로 부가된다. 옴 손실들은 전류 밀도에 비례한다는 사실에 기인하여, 그들은 매체에서 전체 손실들의 중요 부분과 더 높은 전류 밀도를 형성한다. 따라서, 그러한 손실들을 줄이기 위해, 낮은 전기 저항을 가진 도체 및 전극 물질들이 일반적으로 선택된다. 전해질의 구체적인 전기 저항은 특정 온도에서 그 조성물에 의존하지만, 총 저항은 작은 셀 간격들에 의해 감소될 수 있다. 멤브레인의 재료는 서로 반비례하는 높은 전도성과 높은 선택성 사이의 절충을 제공하도록 일반적으로 선택된다.
제3 영향은 수송 한계(transport limitation)에 기인한다. 셀로부터 추출되는 전류는 전극 표면으로 전달될 수 있는 분자들의 매스 스트림(mass stream)에 의존한다. 낮은 전류 밀도에서, 스트림을 통과하는 대량의 대류 수송과 유체역학적 경계층을 통과하는 대량의 확산 수송은 충분하고 임의의 한계도 존재하는 않는다. 그러나, 높은 전류 밀도에서, 대량 확산 수송은 제한적이고 외부 전기 회로 내부의 부하 저항의 추가적인 감소의 경우 전류의 임의의 증가를 제공하지 않는다. 셀 전압은 추가적으로 감소되고 일정한 전류가 도달되고, 확산 임계 전류(threshold current)로 명명된다. 높은 전류 밀도에서 발생하는 이러한 한계는, RFB의 충전 상태가 낮은 경우, 전해질과 전극 표면 사이의 농도 차이인 구동력이 감소되기 때문에, 더 낮은 전류 밀도들에서 이미 관측된다. 플로우-바이 전극들이 RFB에 사용되는 경우, 수송 한계의 영향은 플로우-뜨루(through) 전극들과 비교할 때, 전해질의 더 낮은 체적 유량들에서 이미 발생한다.
선행기술의 RFB들에서, 일반적으로 카본 재료들로 형성되는 플로우-뜨로우(FT) 전극들이 사용된다. 플로우-쓰루 전극들은 카본 펠트, 카본 플리스(fleece), 및/또는 카본 페이퍼와 같이, 전해질이 통과하여 유동하는, 다공성이고 필라멘트 및/또는 섬유성 재료로 구성된다. 일부의 경우들에서, 전체 FT 전극은 기계적으로 안정하지 않은 바로 그 탄소 재료로 형성된다. 전류는 재료의 필라멘트들 및/또는 섬유들에 의해 전도된다. 일반적으로, FT 전극은 압력에 의해 바이폴라 플레이트에 접촉된다. 이러한 구성은 옴 손실들에 기인하는 전압 손실들로 이어진다. 추가적인 전압 손실들은 전극 표면의 낮은 활성에 기인하여 생긴다. 전극 표면은 높은 전기화학적 활성이 가능하도록 종종 부가적으로 활성화된다. 다공성 FT 전극 재료 내부의 비균질한(inhomogeneous) 전류 분포는 FT 전극의 성능을 감소시킨다. 또한, 전해질을 FT 전극을 통해 유동시키기 위해, 셀 내부의 높은 압력이 필요하다. 부가적으로, 전해질은 일반적으로 셀들 즉, 동일하게 대전된 전해질이 그곳을 통해 유동하는 반-전지들에 평행하게 공급된다.
플로우-뜨루 전극들은 전기화학적 반응을 수행하기 위한 작용기들을 가진 큰 표면을 가진다. 재료의 표면에서, 전해질은 대량의 대류 및 확산 수송을 보인다. 필라멘트 표면들에서 생성된 전자들은 필라멘트들의 그래파이트 구조들을 통해 전도체들 소위, 셀들의 바이폴라 플레이트들로 수송된다. 도 3은 2개의 FT 전극들(46,48)과 바이폴라 플레이트(42)의 상응하는 조합(45)을 개략적으로 도시한다. FT 전극들을 생산하고 뿐만 아니라 FT 전극과 함께 사용되는 바이폴라 플레이트들을 생산하기 위한 제조 비용은 각각의 재료들의 종류와 구조에 기인하여 높다.
FT 전극들을 사용하는 알려진 RFB들의 셀들 내부에서, 유동 속도는 10mm/s 미만의 범위이다. FT 전극 재료의 개별 필라멘트들 사이의 작은 간격들 때문에 그리고 소용돌이(eddy) 확산 때문에, 전해질은 필라멘트들 주변의 영역에서 균질하게 혼합되고 짧은 확산 경로를 보여준다. 따라서, 전기화학적 반응의 주요한 한계는 대량 수송에 기인하는 것이 아니라 표면 활성에 기인한다. 셀을 통과하는 요구되는 체적 유동은 전해질 활용에 의존한다. 큰 표면들을 이용할 때 큰 체적 유동이 필요하다. 큰 체적 유동은 높은 유동 저항의 결과가 된다. 실제로 통과하여 유동되는(flown fhrough) 셀 길이가 증가할수록 반대(counter) 압력이 증가한다. 알려진 상업적인 RFB들의 셀 사이즈들은 대략 0.25m2이고 통과하여 유동되는 길이는 0.5m 미만이고, 셀들의 스트리밍을 위해 필요한 압력은 수 기압 예컨대, 3-5 기압(bar)이다. 낮은 유동 속도와 필라멘트 재료의 유압적 침투성의 비균일성 뿐만 아니라, 재료의 저장 또는 마운팅 동안 비가역적인 컴팩팅(compacting)은 셀을 통과하는 비균질 유동을 결과를 낳을 수 있다. 높은 전류 밀도가 FT 전극 재료의 활성의 빠른 퇴화를 초래하기 때문에, 셀 성능은 전류 밀도의 비균일한 분포에 의해 비가역적으로 감소된다.
RFB 기술의 초기에, 카본 직물(cloth)로 형성된 플로우-바이(FB) 전극들이 시험되었다. 그러나, RFB들의 셀들에 사용될 때, FB 전극들의 재료는 높은 전류 밀도와 결과적인 산소의 진화(elolution)에 기인하여 퇴화되었다. 나아가서, 셀 성능에 영향을 미치는 대량 수송에 기인하는 한계는 전극 표면을 따르는 전해질의 낮은 유동 속도에서 관찰되었다.
본 발명의 목적은 성능이 개선된 플로우-바이 전극 유니트, 레독스 플로우 배터리 시스템, 및 레독스 플로우 배터리 시스템의 개선된 작동 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 플로우-바이 전극, 청구항 41에 따른 그 용도, 청구항 42에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 제조 방법, 청구항 43에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템, 청구항 49에 따른 그 용도, 및 청구항 50에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템의 작동 방법에 의해 달성된다.
제1 실시예에서, 특히, 레독스 플로우 배터리용 플로우-바이 전극 유니트가 제공된다. 전극 유니트는, 기재를 포함하고 적어도 하나의 오픈 플럭스(open flux) 표면 구조를 가진 플로우-바이 전극을 포함한다.
제2 실시예는 에너지 저장 및/또는 공급 디바이스 특히, 레독스 플로우 배터리에 사용하기 위한, 전술한 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 용도에 관한 것이다.
제3 실시예는 에너지를 저장 및/또는 공급하기 위한, 전술한 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 용도에 관한 것이다.
제4 실시예에서, 전술한 제1 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 제조 방법이 제공된다. 방법은 기재와 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조를 가진 전극 본체를 형성하는 단계를 포함한다.
제5 실시예에 따르면, 레독스 플로우 배터리 시스템이 제공된다. 배터리 시스템은, 멤브레인에 의해 분리된 음의 반-전지와 양의 반-전지를 각각 포함하는 적어도 2개의 셀들을 포함하고; 제1 반-전지 그룹은 음의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제1 전해질 도관에 의해 결합된 적어도 2개의 음의 반-전지들에 의해 형성되고; 제2 반-전지 그룹은 양의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제2 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합된 적어도 2개의 양의 반-전지들에 의해 형성되고; 반-전지들의 적어도 하나 또는 각각은 전술한 제1 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 포함한다.
제6 실시예는 에너지를 저장 및/또는 공급하기 위한, 전술한 실시예의 레독스 플로우 배터리의 용도에 관한 것이다.
제7 실시예에서, 전술한 제6 실시예에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템의 작동 방법이 제공된다. 배터리 시스템의 작동 방법은, 음의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제1 반-전지 그룹을 통해 음의 반-전지 전해질 저장소로부터 제1 전해질 도관을 경유하여 음의 반-전지 전해질을 유동시키고 음의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계; 및 양의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제2 반-전지 그룹을 통해 양의 반-전지 전해질 저장소로부터 제2 전해질 도관을 경유하여 양의 반-전지 전해질을 유동시키고 양의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계를 포함하고; 음의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원되고 산화될 수 있는 제1 산화환원 쌍의 화학종을 포함하고, 양의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원되고 산화될 수 있는 제2 산화환원 쌍의 화학종을 포함한다.
전술한 실시예들의 일부는 이어지는 도면들을 참조하여 일반적인 실시예들의 상세한 설명에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 RFB의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 선행기술의 RFB 내에 사용된 배터리 스택의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2b는 도 2a의 배터리 스택 및 저항들의 등가 망조직 선도를 도시한다.
도 3은 선행기술의 FT 전극들/바이폴라 플레이트 조합을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 개략적으로 도시한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 오픈 플럭스 표면 구조의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 6b 내지 도 6d는 표면 구조 위로의 전해질의 유동과 유동 장벽들에 의해 유도된 난류(turbulence)들을 각각 도시한다.
도 6e는 U-형 유동 장벽들의 프로파일을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템의 예를 개략적으로 도시한다.
도 7b는 도 7a의 예 및 저항의 등가 망조직 선도를 개략적으로 도시한다.
도 1은 RFB의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 선행기술의 RFB 내에 사용된 배터리 스택의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2b는 도 2a의 배터리 스택 및 저항들의 등가 망조직 선도를 도시한다.
도 3은 선행기술의 FT 전극들/바이폴라 플레이트 조합을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 개략적으로 도시한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 오픈 플럭스 표면 구조의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 6b 내지 도 6d는 표면 구조 위로의 전해질의 유동과 유동 장벽들에 의해 유도된 난류(turbulence)들을 각각 도시한다.
도 6e는 U-형 유동 장벽들의 프로파일을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템의 예를 개략적으로 도시한다.
도 7b는 도 7a의 예 및 저항의 등가 망조직 선도를 개략적으로 도시한다.
이어지는 도면들의 상세한 설명을 통틀어, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호가 부여되었다. 일반적으로, 개별 구성요소들에 대한 차이점들만 설명된다.
본 발명의 일 실시예에서, 특히, 레독스 플로우 배터리용 플로우-바이 전극 유니트가 제공된다. 플로우-바이 전극 유니트는 기재를 포함하고 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조를 가진 플로우-바이 전극을 포함한다. 일부 예들에서, 플로우-바이 전극은 기재를 포함하는 전극 본체 및 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극의 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조에 기인하여, 전극 표면에 맞대어 및/또는 전극 표면을 따라 흐르는 전해질의 유동은 적어도 부분적으로 안내되거나 제어된다. 그리하여, 요구되는 유형의 유동이 촉진되어 플로우-바이 전극의 성능 및/또는 플로우-바이 전극을 포함하는 RFB의 성능을 개선한다. 예를 들어, 전해질 유동은 오픈 플럭스 표면 구조에서 생성될 수 있고, 전기화학적 반응을 촉진하기 위해, 그것에 의해 유체역학적 경계층들이 영향을 받게 된다. 층류(lamiar) 경계층들의 사이즈 및/또는 존재는 감소될 수 있다. 나아가서, 층류 경계층들의 두께를 감소시키는 전해질 유동의 지연(stalling)은 오픈 플럭스 표면 구조에 의해 얻어질 수 있다. 층류 경계층들 상의 그러한 영향들은 확산 경계층들의 결과인 농도 분극(polarization)의 감소를 낳는다. 더군다나, 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조 덕택으로, 플로우-바이 전극의 전기화학적으로 활성인 표면 영역이 증가된다. 부가적으로, 실시예들에 따른 플로우-바이 전극의 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조에 의해, 전해질의 유동 저항이 감소된다. 그러므로, 실시예들의 플로우-바이 전극을 사용하면, RFB의 셀들의 사이즈 특히, 셀들의 길이가 유용하게 증가될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 RFB에 이용함으로써, 전극 표면에 맞대어 및/또는 전극 표면을 따라 흐르는 전해질 내부에서, 셀 성능을 촉진하는 최적화된 대량 수송이 달성된다. 이것은 대량의 확산 수송이 만연하는 특히, 전극 표면에서 전해질의 층류 경계층들의 감소에 기인한다. 실시예들의 오픈 플럭스 표면 구조에 기인하는 최적화된 유동 관리 및/또는 유동 제어에 의해 층류 경계층들이 약화된다. 부가적으로, 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트는, 표면에 영향을 주지 않지만 층류 경계층을 더 감소시키면서, 전해질 유동이 플로우-바이 전극의 표면에 맞대어 그것을 따라 흐르게 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 오픈 플럭스 표면 구조에 의해, 대량의 대류 수송이 촉진되고 수송 한계의 영향이 감소된다.
적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조는 기재 내에 또는 그 위에 제공될 수 있고, 및/또는 기재에 의해 지지될 수 있다. 전술한 실시예들의 일부 예들에서, 플로우-바이 전극 및/또는 오픈 플럭스 표면 구조의 표면은 적어도 부분적으로 전기화학적으로 활성일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 개략적으로 도시한다. 플로우-바이 전극 유니트는 기재(52)를 포함하고 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)를 가진 플로우-바이 전극(50)을 가진다. 표면 구조(54)는 하나 이상의 동일하거나 상이한 3-차원 형상들 또는 프로파일(들)을 가질 수 있다.
도 5에는 플로우-바이 전극(55)을 포함하는 플로우-바이 전극 유니트의 실시예가 도시된다. 기재(52)는 2개의 오픈 플럭스 표면 구조들(54) 사이에 위치된다. 이 실시예에서, 표면 구조들(54)은 기재의 양측에서 동일하거나 상이한 3-차원 형상들 또는 프로파일들을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 플로우-바이 전극(50,55)은 대략 5×20cm2 내지 50×70cm2의 범위의 기하학적 평면 치수들을 가질 수 있는 프로파일드(profiled) 직사각 플레이트일 수 있다. 본 발명에 따른 플로우-바이 전극들의 일부 예들은 대략 5×20cm2 내지 50×70cm2의 범위의 기하학적 평면 치수들을 가진 활성 전극 표면을 포함한다. 실시예들에 따르면, 플로우-바이 전극(50,55)은 대략 0.1mm 내지 5mm, 바람직하게, 0.6mm 내지 2mm의 두께, 대략 0.5mm 내지 15mm, 바람직하게 0.5mm 내지 5mm, 보다 바람직하게 0.5mm 내지 3mm의 높이를 가진 플레이트를 구비할 수 있다.
도 5에 도시된 실시예의 하나의 예에 따르면, 플로우-바이 전극 유니트는 배터리 특히, 레독스 플로우 배터리 내에 사용될 수 있는, 바이폴라 플레이트이거나 그것을 포함한다. 도 4에 도시된 실시예의 개량된 다른 예에서, 플로우-바이 전극 유니트는 예컨대, 배터리 스택 특히, 레독스 플로우 배터리를 가두기에 적합할 수 있는, 엔드플레이트이거나 그것을 포함한다. 이들 예들에 의해, 플로우-바이 전극, 바이폴라 플레이트 및/또는 엔드플레이트의 제조 비용이 절감될 수 있다. 일부 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트는 전해질의 실질적인 불투과성이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 플로우-바이 전극 유니트는 실질적으로 비-다공성일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 오픈 플럭스 표면 구조(54)는 플로우-바이 전극(50,55)을 따르는 전해질 유동 방향(도 4 및 도 5의 화살표들 참조)을 구획할 수 있다. 그렇게 하여, 전극을 따르는 바람직한 유동의 방향이 수립된다. 나아가서, 오픈 플럭스 표면 구조(54)는 다수의 표면 그루브들에 의해 형성될 수 있는 다수의 유동 채널들(56)을 포함할 수 있다. 더군다나, 다수의 유동 채널들은 적어도 하나의 구불구불한 유동 채널을 포함할 수 있다. 표면 그루브들은 플로우-바이 전극(50,55)의 표면 내에 형성될 수 있다. 표면 그루브들은 플로우-바이 전극(50,55)의 표면을 따라 특히, 표면을 따르는 하나 이상의 방향들로 연장할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 오픈 플럭스 표면 구조는 플로우-바이 전극(50,55)으로부터 돌출할 수 있는 다수의 유동 장벽들(60)을 포함할 수 있다. 플로우-바이 전극 유니트의 예들에 따르면, 하나 이상의 유동 채널들(56) 예를 들어, 구불구불한 유동 채널(들)(56)은 하나 이상의 유동 장벽들(60)에 의해 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 유동 채널들(56)은 2개 이상의 유동 장벽들(60) 사이에 형성될 수 있다.
유동 채널들(56)은 대략 1mm 내지 5mm, 바람직하게 2mm 내지 3mm의 폭을 가질 수 있다. 유동 채널들(56)의 높이는 대략 1mm 내지 10mm, 바람직하게 4mm 내지 5mm의 범위일 수 있다. 유동 장벽들(60)은 대략 1mm 내지 10mm, 바람직하게 4mm 내지 5mm의 높이를 가질 수 있다. 또한, 유동 장벽들(60)의 폭은 대략 1mm 내지 5mm, 바람직하게 2mm 내지 3mm의 범위일 수 있다.
나아가서, 본 발명의 실시예들에서, 하나 이상의 유동 채널들(56) 예컨대, 적어도 하나의 구불구불한 유동 채널들(56)은 유동 방향에서 유체 전해질 유동을 지연(stall)시키도록 구성될 수 있다. 더군다나, 하나 이상의 유동 장벽들(60)은 유동 방향에서 유체 전해질 유동을 지연시키도록 구성될 수 있다. 이것은 본 발명의 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트가 RFB들의 반-전지들에 사용될 때 특히 유용하다. 전술한 바와 같이, 확산의 법칙들에 따르면, 경계층을 통과하여 전극 표면을 향하는 전해질 전하 캐리어들의 매스 스트림과 관련된 표면은 경계층의 두께에 의존하고 표면에 직교하는 농도 기울기에 의존한다. 그러나, 유체역학적 경계층의 두께는 유동 속도에 의해 그리고 스트림에 의해 및/또는 반-전지 내부의 유동 관리에 의해 영향을 받을 수 있다. 그러므로, 유동 채널들에서 예컨대, 구불구불한 유동 채널들(56)에서 및/또는 유동 장벽들(60)에서 전해질의 지연(스톨링)은 높은 유동 속도와 난류를 발생시키고, 경계층들의 두께를 감소시킴으로써, 확산 수송을 증가시킨다.
실시예들의 개량들에 따르면, 3개 이상의 유동 장벽들은 패턴으로 및/또는 적어도 하나의 줄(row)로 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 패턴은 옵셋(offset) 패턴일 수 있다. 나아가서, 적어도 2개의 줄들은 옵셋될 수 있다. 적어도 2개의 인접하는 줄들의 유동 장벽들은 교호 패턴으로 배치될 수 있다. 더군다나, 적어도 2개의 줄들은 유동 방향에 대해 수직으로 배치될 수 있다. 이들 각각의 변형들에 의해, 유동 방향에서 유체 전해질 유동의 지연이 촉진된다.
바람직한 실시예들에서, 하나 이상의 유동 장벽들은 볼록하고 오목한 사이드를 가진 U-형상 또는 바나나-형상을 가질 수 있고, 바람직한 실시예에서, 오목하고 및/또는 볼록한 사이드 상의 적어도 하나의 돌기를 가진다. 보다 바람직하게, 적어도 하나의 돌기는 볼록하고 오목한 사이드 상에 형성된다. 예컨대, 볼록한 사이드와 오목한 사이드 모두에 하나의 단일의 돌기가 형성된다. 대안적으로, 하나의 단일의 돌기를 가진 실시예가 상정될 수 있으므로, 하나의 단일의 돌기는 바람직하게 U 형상 또는 바나나 형상의 기본 유동 장벽 디자인의 오목한 사이드 상에 위치된다. 만약, U-형상 또는 바나나-형상의 유동 장벽을 위해 적어도 2개의 돌기들이 생기면, 그들은 본질적으로 동일한 사이즈이거나 상이한 사이즈일 수 있다. 바람직하게, 돌기의 사이즈는 유동 장벽의 U-형상 또는 바나나-형상의 베이스의 아암들보다 더 작다. 각각의 돌기의 사이즈는 유동 장벽의 U-형상 또는 바나나-형상의 베이스의 30%보다 일반적으로 더 작다. 바람직하게, 돌기(들)의 길이는 1mm 내지 3mm이다. 바람직하게, 적어도 하나의 돌기는 유동 방향을 따라 향하기 때문에, 바람직하게 U-형상 또는 바나나-형상 유동 장벽의 중심부에 실질적으로 직교한다.
대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 유동 장벽들은 2개의 측면 끝단부들(또는 부분들) 및 적어도 하나의 돌기가 그 위에 형성되는 굴곡된 중간부(또는 부분)를 가질 수 있다. 측면 끝단부들(또는 부분들)은 대략 2mm 내지 5mm의 길이를 가질 수 있다. 하나 이상의 돌기들은 대략 2mm 내지 5mm 또는 1mm 내지 3mm의 범위의 길이를 가질 수 있다. 바람직하게, 적어도 하나의 돌기는 측면 끝단부들(또는 부분들)보다 더 짧다. 끝단부들(또는 부분들)의 적어도 하나 및/또는 돌기들의 적어도 하나는 도 6a 내지 도 6e에 도시된 바와 같이, 테이퍼진 팁(tip)을 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 유동 장벽들의 측면 끝단부들(또는 부분들)은 유동 방향으로 향할 수 있고 및/또는 그 반대일 수 있다. 유동 장벽들의 줄들은 옵셋될 수 있고 서로 반대로 배치될 수 있다. 즉, 도 6a 내지 도 6e에 도시된 바와 같이, 유동 장벽들의 측면 끝단부들(또는 부분들)과 유동 장벽들의 모든 두번째 줄은 유동 방향으로 향할 수 있는 한편, 모든 두번째 줄 사이의 줄들의 장벽들은 반대로 향한다. 또한, 하나 이상의 유동 장벽들의 굴곡된 중간부(또는 부분)는 적어도 하나의 돌기 또는 반대 방향으로 마련된 2개의 돌기들을 구비할 수 있고, 돌기(들)는 유동 방향에 평행하게 배치되어 있다. 돌기들은 난류를 유도시키는 기능을 함으로써, 오목한 사이드의 "후류(slipstream)"에서 화학 반응들이 가능하게 한다.
레독스-플로우 플럭스 셀들에서, 확산 전류는 최대 전류 밀도와 용량을 결정한다. 전극과 전해질 사이의 유체-역학적 경계층이 더 얇을 수록, 확산 전류가 더 커진다. 전술한 표면 구조들은, 전극에서 더 빠르고 및/또는 더 나은 난류 오버플로우를 가능하게 함으로써 전극과 전해질 사이에 형성하는 얇은 유체-역학적 경계의 생성을 유용하게 돕는다. 도 6b 내지 도 6e는 구조에 의해 야기되는 전해질 유동과 난류들을 예시한다. 그렇게 하여, 유동 방향에서 유체 전해질 유동의 지연이 촉진된다. 유동 장벽들 특히, "U-형상" 유동 장벽들은, 활성 전극 표면을 증가시키고 멤브레인을 안정화시키기 위해, 도 6e에 도시된 바와 같이 라운드진 에지들과 프로파일들을 더 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 플로우-바이 전극(50,55)과 기재(52)가 일체의 유니트를 형성하도록 구성된다. 플로우-바이 전극(50,55)과 기재(52)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복합 재료로 셩산될 수 있다. 그리하여, 플로우-바이 전극의 제조 비용이 절감될 수 있다. 사용되는 재료에 의존하여, 일체적인 플로우-바이 전극 유니트는 예를 들어, 딥 드로잉 또는 3D 프린팅에 의해 제조될 수 있다.
플로우-바이 전극(50,55)은 기재(52) 상에 형성된 적어도 하나의 보호/접촉층(미도시)을 포함할 수 있다. 또한, 플로우-바이 전극(52)은 하나 이상의 보호/접촉층 상에 및/또는 기재(52) 상에 형성된 적어도 하나의 전기화학적 활성층(미도시)을 포함할 수 있다. 그러므로, 전극의 부가적인 활성이 요구되지 않는다.
일부 실시예들에서, 보호/접촉층은 대략 2㎛ 내지 500㎛, 바람직하게 5㎛ 내지 400㎛, 보다 바람직하게, 200㎛ 내지 300㎛의 두께를 가진다. 전기화학적 활성층은 대략 10nm 내지 1,000nm, 바람직하게 20nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 전기화학적 활성층은 대략 10nm 내지 200nm, 바람직하게 20nm 내지 100nm의 범위의 입자 사이즈 또는 입자 직경을 가진 하나 이상의 입자들의 층들로 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 전기화학적 활성층은 대략 1 내지 10개의 입자들의 층들, 바람직하게 1 내지 5개의 입자들의 층들로 형성될 수 있다.
전술한 실시예들과 다른 실시예들에서, 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)는 기재(52) 내에 특히, 기재 표면 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 보호/접촉층 및/또는 전기화학적 활성층은 예컨대, 몰딩, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 플라즈마 스프레잉, 열 스프레이, 파우더 코팅, 동적(kinetic) 금속화, CVD(화학적 증기 증착), 및/또는 PVD(물리적 증기 증착)에 의해, 기재(52)의 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)의 프로파일 상에 마련될 수 있다.
일부 예들에 따르면, 보호/접촉층은 선택적으로, 경화 및/또는 교차-결합(cross-linking)에 이어서, 예컨대, 템퍼링 및/또는 어닐링에 의해, 스프레이 코팅 또는 딥 코팅에 의해 기재 표면 상에 제공될 수 있다. 전기화학적 활성층은 예를 들어, 용제 내에 분사된 입자들의 스프레이 코팅에 의해 부가될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 플로우-바이 전극의 기재(52)는 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)로부터 분리된 컴포넌트일 수 있다. 예를 들어, 오픈 플럭스 표면 구조(54) 및/또는 그 프로파일(들)은 층 내에 예컨대, 플로우-바이 전극(50,55)의 층류 구성의 외부층 내에 형성될 수 있다. 층류 구성은 예를 들어, 컴팩팅 및/또는 바인더를 사용한 부착에 의해 기재(52)에 부착된 고체 재료로 구성된 하나의 보호/접촉층 및/또는 하나의 전기화학적 활성층을 포함할 수 있다. 전기화학적 활성층은 층류 구성의 외부층을 형성할 수 있다. 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)의 프로파일(들)은 단단한 보호/접촉층과 전기화학적 활성층의 어느 하나 또는 심지어 두 개 모두에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은, 기재(52), 보호/접촉층 및 전기화학적 활성층의 적어도 하나가 전기 전도성이 될 수 있도록 구성된다.
기재(52)는 금속, 경금속, 전이 금속, 금속 합금, 합금강, 전기 전도성 복합재, 폴리머, 카본 및 카본 개량으로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재는 알루미늄, 그래파이트, 및/또는 마그네슘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재(53)는 폴리프로필렌과 같은 폴리머의 대략 2 내지 50 부피 퍼센트, 바람직하게 20 내지 30 부피 퍼센트, 및 그래파이트와 같은 카본 컴파운드의 대략 50 내지 98 부피 퍼센트, 바람직하게 70 내지 80 부피 퍼센트를 포함할 수 있다. 기재(53)는 카본 컴파운드의 대략 80 내지 90 중량 퍼센트를 포함할 수 있다.
보호/접촉층은 전기 전도성 폴리머, 전기 전도성 세라믹, 카본, 카본 개량, 금속, 및 바인더로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 적절한 재료의 예들은 PVC(폴리비닐클로라이드), EPDM(에틸렌 프로필렌 디엔 모노머), 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 보호/접촉층은 바인더 및 금속, 전도성 세라믹과 같은 전기적 첨가제 및/또는 그래파이트, 카본 블랙, 카본 나노튜브(CNT), 그레핀, 도핑된 다이아몬드-상 카본과 같은 카본 개량으로 형성된 합성물을 포함할 수 있다. 바인더는 폴리올레핀들, 할로겐화 폴리머들, 및/또는 엘라스토머들로부터 선택된 폴리머일 수 있다. 예를 들어, 보호/접촉층의 재료는 PVC 또는 EPDM과 같은, 바인더의 대략 10 내지 50 부피 퍼센트, 바람직하게 20 내지 30 부피 퍼센트, 및 그래파이트의 대략 50 내지 90 부피 퍼센트, 바람직하게 70 내지 80 부피 퍼센트를 포함할 수 있다.
전기화학적 활성층은 금속, 금속 화합물, 카본, 카본 화합물, 전기 전도성 세라믹, 및 바인더로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 바람직한 예들은 카본 블랙 및/또는 카본 나노튜브(CNT)이다. 다른 바람직한 재료는 히드록실기, 카보닐기, 카르복실기 또는 질소 함유(아민)기들을 가진 카본 개량들로부터 선택된다. 전기 전도성 세라믹의 예는 TiN이다. 바인더 예턴대, 보호/접촉층을 위해 이용되는 바인더는, 하부층 또는 기재에 전기화학적 활성층을 부착시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 전기화학적 활성층은 아세틸렌 블랙과 같은 순수 카본 블랙으로 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 다른 예들에서, 전기화학적 활성층은 PVC, 폴리프로필렌 또는 EDPM과 같은 바인더의 대략 2 내지 50 부피 퍼센트, 바람직하게 20 내지 30 부피 퍼센트, 및 예컨대, 카본 블랙과 같은 카본 컴파운드의 대략 50 내지 98 부피 퍼센트, 바람직하게 70 내지 80 부피 퍼센트를 포함한다. 일부 바람직한 예들에서, 전기화학적 활성층은 폴리프로필렌과 카본 블랙의 혼합물을 포함한다.
바람직한 실시예들에 따르면, 기재(52)는 폴리머와 폴리프로필렌과 카본과 같은 카본 개량 또는 그래파이트와 같은 카본 개량들의 혼합물을 포함할 수 있다. 적절한 폴리머들은 열소성(thermoplast) 또는 듀로플라스트(duroplast) 폴리머들로부터 선택될 수 있다. 부응해서, 다른 예들은 폴리에틸렌과 카본 또는 카본 개량들 및 폴리비닐클로라이드와 카본 또는 카본 개량들의 혼합물을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 보호/접촉층은 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 플로우-바이 전극(50,55)은, 예컨대, 동적 코팅에 의해 전기화학적 활성 입자층이 그 위에 부가되는, 대략 20 내지 30 부피 퍼센트의 폴리프로필렌과 대략 70 내지 80 부피 퍼센트의 그래파이트의 혼합물을 포함하는 기재(52)로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 플로우-바이 전극(50,55)은, 전기화학적 활성 입자층이 그 위에 부가되는, 대략 30 내지 40 부피 퍼센트의 폴리비닐클로라이드와 60 내지 70 부피 퍼센트의 그래파이트의 혼합물을 포함하는 기재(52)로 형성될 수 있다. 이러한 플로우-바이 전극들은 아래의 Example 1에 개시된 바와 같이 제조될 수 있다. 전기화학적 활성층은 예턴대, 대략 20nm의 입자 사이즈를 가진 아세틸렌 블랙과 같은, 카본 블랙의 입자들로 구성되거나 이것을 포함할 수 있다. 본 명세서의 여기저기에 개시된 전기화학적 활성층을 위한 다른 적절한 재료들은 예컨대, CNT 및 TiN을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플로우-바이 전극의 실시예들에 포함된 기재(52)의 상술한 재료(들)에 기인하여, 다음과 같은 기재의 적어도 하나의 속성들이 구현될 수 있다. 즉, 기재는 전기전도성일 수 있고, 기계적으로 안정할 수 있고, 및/또는 실질적으로 화학적으로 비활성이다. 예를 들어, 기재의 체적 도전율은 2 S/cm 보다 더 클 수 있다. 기재(52)는 저렴한 원료를 포함할 수 있고, 제조 비용이 저렴할 수 있다. 기재는 표면 코팅의 부가를 가능하게 하는 표면 성질들을 가질 수 있다. 기재는 사출 성형, 열-성형, 다이-컷팅, 적층 가공, 기계가공과 같이, 형상-부여(shape -giving) 제조법들에 의해 구조화될 수 있다.
또한, 선택된 재료 덕택으로, 실시예들에 따른 보호/접촉층은 실질적으로 비-다공성일 수 있고 전기 전도성일 수 있다. 그것은 실질적으로 화학적으로 비활성 및/또는 기계적으로 안정할 수 있다. 또한, 보호/접촉층은 낮은 전기 저항을 가질 수 있다. 그것은 기재 상에 특히, 오픈 플럭스 표면 구조 상에 예컨대, 몰딩, CVD, PVD에 의해 코팅될 수 있다. 보호/접촉층은 표면을 보호하고 및/또는 전기화학적 활성층과 기재 표면 사이의 접촉을 촉진하기 위해 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극의 표면 상의 전기화학적 활성층은 전극으로부터 전해질의 분자들까지 그리고 그 반대로 전자들의 전달을 가능하게 한다. 이를 위해, 전기화학적 활성 표면 그룹들은 요구되는 반응들을 위해 낮은 활성화 과전압을 가진, 플로우-바이 전극 표면에 제공될 수 있다. 그러므로, 에너지 효율의 감소로 이어질 수 있는, 예를 들어, 산소 또는 수소의 진화와 같은, 양극성 부반응 또는 음극성 부반응이 방지될 수 있다. 예시적인 전기화학적 활성 표면 그룹들은 히드록실기, 카르보닐기 또는 카르보닐 절반(carbonyl moieties)기와 같은 그룹들을 포함하는 산소, 또는 일차 아민, 이차 아민, 삼차 아민과 같은 그룹들을 포함하는 질소를 포함한다. 기재에 대한 전기화학적 활성층 및/또는 보호/접촉층(들)의 부착은, 하부층을 위해 역시 사용될 수 있는, 전술한 폴리머 바인더에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로, 하부의 보호/접촉층에 또는 기재에 직접적인 전기화학적 활성 재료의 기계적 앵커링 및/또는 전기적 접촉을 가능하게 하는, 다른 부착 기법들이 사용될 수 있다. 그러한 기법들의 예는 동적 코팅, 예컨대, 동적 스프레이 코팅 및/또는 동적 파우더 코팅이다.
플로우-바이 전극의 실시예들에 따른 컴포넌트들과 재료들은 전술한 활성화 과전압에 기인한 손실을 감소시킴으로써 상응하는 플로우-바이 전극이 이용되는 RFB의 에너지 효율을 개선시킨다.
그러므로, 본 명세서에서 언급된 다른 장점들에 기인하여, 본 발명의 하나의 실시예는, 에너지 저장 및/또는 공급 디바이스 특히, 예를 들어, 아래에서 설명되는 바와 같은, 레독스 플로우 배터리에서 전술한 임의의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 용도에 관한 것이다. 또한, 다른 실시예에서, 전술한 임의의 실시예의 플로우-바이 전극 유니트는 에너지 특히, 전기적 및/또는 전기화학적 에너지를 저장 및/또는 공급하기 위해 사용된다.
일 실시예에서, 전술한 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은 기재 및 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조를 포함하는 전극 본체를 형성하는 단계를 포함한다. 전극 본체는 플로우-바이 전극의 실시예들과 관련하여 전술한 바와 같이, 기재 및 기재 표면 상에 또는 그 내부에 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조를 제공함으로써 형성될 수 있다. 전술한 전기화학적 활성층은 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조 상에 부가될 수 있다. 선택적으로, 전술한 보호/접촉층은 전기화학적 활성층이 부가되기 전에 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조 상에 코팅될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 레독스 플로우 배터리 시스템이 제공된다. 배터리 시스템은, 멤브레인에 의해 분리된 음의 반-전지와 양의 반-전지를 각각 포함하는 적어도 2개의 셀들; 음의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제1 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합된 적어도 2개의 음의 반-전지들에 의해 형성된 제1 반-전지 그룹; 및 양의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제2 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합된 적어도 2개의 양의 반-전지들에 의해 형성된 제2 반-전지 그룹을 포함하고; 반-전지들의 적어도 하나 또는 각각은 본 발명의 임의의 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 포함한다.
전술한 실시예에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템은 RFB의 양의 반-전지들을 적어도 부분적으로 유체적으로 직렬로 연결시키고 및/또는 RFB의 음의 반-전지들을 적어도 부분적으로 유체적으로 직결로 연결시킨다. 이것은 보다 높은 유동 속도로 셀들을 통과하는 전해질의 더 균일한 유동을 제공한다.
예를 들어, 레독스 플로우 배터리 시스템의 실시예들에 따르면, 하나 이상의 제1 및 제3 반-전지 그룹들 내부에서, 유체적으로 결합된 2개 이상의 음의 반-전지들은 서로 직렬로 결합될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 제2 및 제4 반-전지 그룹들 내에서, 유체적으로 결합된 2개 이상의 음의 반-전지들은 서로 직렬로 결합될 수 있다. 이러한 구성은, 100×100cm2 미만의 전기화학적 활성 표면을 가진 플로우-바이 전극들을 포함하는 반-전지들과 같이, 작은 플로우-바이 전극들을 포함하는 상대적으로 작은 사이즈의 반-전지들이 제공된 실시예들의 경우 유용하다. 이러한 경우들에서, 상응하는 반-전지들의 직렬 연결은 상대적으로 작은 반-전지들을 통한 전해질의 높은 유동 속도를 가능하게 한다.
대안적인 실시예들에 따르면, 개별적인 반-전지 그룹들 내부에서, 유체적으로 결합된 2개 이상의 음의 반-전지들은 서로 병렬로 결합될 수 있고 및/또는 유체적으로 결합된 2개 이상의 양의 반-전지들은 서로 병렬로 결합될 수 있다. 이러한 구성에서, 큰 반-전지들이 이용될 수 있다.
레독스 플로우 배터리 시스템의 실시예들의 일부 예들에서, 셀들은 전도성 인터셀(interrcell) 세퍼레이터들에 의해 분리될 수 있다. 또한, 셀들은 하나 이상의 엔드플레이트들에 의해 갇힐 수 있다. 예를 들어, 셀들은 셀들이 전도성 인터셀 세퍼레이터에 의해 분리되는 스택을 형성할 수 있고, 및/또는 스택은 2개의 엔드플레이트들에 의해 갇힐 수 있다. 그러한 실시예들에서, 플로우-바이 전극 유니트는 하나 이상의 전도성 인터셀 세퍼레이터들 내에 포함될 수 있다. 일부 예들에 따르면, 플로우-바이 전극 유니트는 하나 이상의 엔드플레이트들 내에 포함될 수 있다. 다른 변형에서, 적어도 하나 이상의 셀 예컨대, 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극을 포함하는 하나의 셀은 결합될 수 있고 셀들과 병렬로 유체적으로 연결될 수 있다. 또한, 레독스 플로우 배터리 시스템의 셀들은 직렬로 전기적으로 결합될 수 있다.
도 7a는 3개의 셀들(71)을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템의 실시예의 예를 개략적으로 도시하고, 여기서 전해질 저장소들은 도시되지 않는다. 이 예에서, 셀들(71)은 셀들이 전도성 인터셀 세퍼레이터들(72)에 의해 분리된 스택(70)을 형성하고, 스택은 2개의 엔드플레이트들(74)에 의해 갇힌다. 제1 반-전지 그룹의 음의 반-전지들은 제1 전해질 도관(78)에 의해 직렬로 결합된다. 제2 반-전지 그룹 내부에서, 적어도 2개의 양의 반-전지들은 제2 전해질 도관(79)에 의해 직렬로 결합된다. 반-전지들의 적어도 하나는 본 발명의 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트(50,55)를 포함한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시예의 플로우-바이 전극(55)은 장착되어 하나 이상의 인터셀 세퍼레이터들(72)을 형성할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 도 4에 도시된 실시예의 플로우-바이 전극들(50)의 하나 또는 2개는 통합되어 엔드플레이트들(74)의 하나 또는 2개 모두를 형성할 수 있다.
임의의 실시예의 레독스 플로우 배터리 시스템은, 음의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제3 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합되어 있는 적어도 2개의 다른 음의 반-전지들에 의해 형성된 제3 반-전지 그룹, 및 양의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제4 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합되어 있는 적어도 2개의 다른 양의 반-전지들에 의해 형성된 제4 반-전지 그룹을 더 포함하도록, 개량될 수 있다. 여기서, 다른 반-전지들의 적어도 하나 또는 각각은 본 명세서에 개시된 임의의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 포함할 수 있다. 제1 및 제3 반-전지 그룹들은 제1 및 제3 전해질 도관들에 의해 병렬로 결합되고, 제2 및 제4 반-전지 그룹들은 제2 및 제4 전해질 도관들에 의해 병렬로 결합된다. 하나의 다른 개량에 따르면, 제1 및 제3 전해질 도관들은 유체적으로 연결될 수 있고, 및/또는 제3 및 제4 전해질 도관들은 유체적으로 연결될 수 있다.
도 7b는 레독스 플로우 배터리 시스템의 전술한 개량된 실시예의 예 및 저항의 등가 망조직 선도를 개략적으로 도시한다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 4개의 개별 반-전지 그룹들은 상응하는 반-전지들을 서로 직렬로 결합함으로써 형성된다. 이 예는 6개의 셀들(71)의 스택(80)을 포함하고, 전해질 저장소들은 도시되지 않는다. 반-전지들의 적어도 하나는 본 발명의 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트(50,55)를 포함한다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 전해질이 상응하는 개별 반-전지들의 하나 이상의 그룹들 내부에 직렬고 공급된다는 사실에 기인하여, 본 발명의 실시예들에 따른 RFB의 구성은, 선행기술의 레독스 플로우 배터리와 비교하여, 각각의 반-전지들 사이에 더 작은 수의 유압적 및/또는 유체 연결들이 필요하다. 특히, 유압적/유체 연결들을 형성하는 도관들(78,79)은 전기 저항들과 등가인 더 작은 수의 션트들(81)을 포함한다. 전기 저항들은 션트들(81) 내에 포함된 전해질의 상응하는 컨덕턴스 값들을 나타낸다. 예를 들어, 도 7b의 예에서, 12개의 션트들(81)이 존재하는 한편, 도 2b의 선행기술의 예는 20개의 션트들(41)이 필요하다.
레독스 플로우 배터리 시스템의 실시예들에 따르면, 셀 스택은 2개 내지 120개의 셀들, 바람직하게 50개 내지 100개의 셀들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들의 레독스 배터리 시스템에 의해, 전해질은 RFB의 반-전지들을 통해 예컨대, 셀들의 스택을 통해 더 균질하게 유동된다. 부가적으로, 활성화 과전압에 기인하는 손실들, 옴 손실들 및 수송 한계들에 기인하는 손실들이 감소된다. 특히, 션트들의 수가 감소됨에 따라, 시스템을 통해 유동하는 전해질의 총저항으로부터 발생하는 손실들이 감소된다. 또한, 션트들의 수가 감소되면, 전극 재료의 전해질의 유동-관련 퇴화도 감소된다. 나아가서, 실시예들에 따른 RFB 시스템의 성능은 전해질 유동 동안 유압 손실의 감소에 기인하여 극히 효율적이다.
본 발명의 임의의 실시예의 플로우-바이 전극 유니트는 본 발명의 실시예들에 따른 RFB 시스템의 예들의 하나 이상의 전도성 인터셀 세퍼레이터들 내에 및/또는 하나 이상의 엔드플레이트들 내에 포함될 수 있다. 다른 예들에 따르면, 멤브레인은 이온-선택적으로 투과성일 수 있다. 또한, 제1 전해질 도관 내지 제4 전해질 도관은 하나 이상의 유체 펌핑 수단을 포함할 수 있다.
레독스 플로우 배터리 시스템의 일부 예들에 따르면, 적어도 2개의 셀들은 셀들이 전도성 인터셀 세퍼레이터들에 의해 분리되는 스택을 형성할 수 있고, 및/또는 스택은 2개의 엔드플레이트들에 갇힐 수 있다. 이들 예들에서, 본 명세서에서 언급된 임의의 실시예에 따른 플로우-바이 전극 유니트는 하나 이상의 전도성 인터셀 세퍼레이터들 내에 및/또는 레독스 플로우 배터리 시스템의 하나 이상의 엔드플레이트들 내에 포함될 수 있다. 그러므로, 레독스 플로우 배터리 시스템의 구조가 간소화된다.
본 발명의 다른 실시예는 에너지 특히, 전기적 및/또는 전기화학적 에너지를 저장 및/또는 공급하기 위해, 본 발명의 임의의 실시예의 레독스 플로우 배터리 시스템의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템의 작동 방법을 제공한다. 배터리 시스템의 작동 방법은, 음의 반-전지 전해질을 제1 전해질 도관을 경유하여 음의 반-전기 전해질 저장소로부터 유체적으로 결합된 음의 반-전지 셀들의 제1 반-전지 셀 그룹을 통해 유동시키고 음의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계; 및 양의 반-전지 전해질을 제2 전해질 도관을 경유하여 양의 반-전지 전해질 저장소로부터 유체적으로 결합된 양의 반-전지 셀들의 제2 반-전지 셀 그룹을 통해 유동시키고 양의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계를 포함하고; 음의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원가능하고 산화가능한 제1 산화환원 쌍의 화학종을 포함하고, 양의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원가능하고 산화가능한 제2 산화환원 쌍의 화학종을 포함한다. 화학종은 각각의 산화환원 쌍의 이온들 및/또는 분자들 예컨대, 대전된 분자들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제2 산화환원 쌍은 제1 산화환원 쌍과 상이할 수 있고, 특히, 2개의 산화환원 쌍들 사이에는 산화환원 전위에 차이가 있을 수 있다. 이러한 실시예는 예컨대, 도 7a에 도시된 스택을 포함하는 본 발명의 실시예들의 레독스 플로우 배터리 시스템을 이용하여 수행된다.
실시예들의 방법에서, 전해질들은 레독스 플로우 배터리 시스템의 개별 셀들을 형성하는 반-전지들을 통해 동류 모드(equicurrent mode)로 유동될 수 있다. 그러므로, 멤브레인에서 압력 차이가 유용하게 최소화될 수 있다.
방법의 실시예들의 개량에 따르면, 방법은, 음의 반-전지 전해질을 제3 전해질 도관을 경유하여 음의 반-전지 전해질 저장소로부터 유체적으로 결합된 음의 반-전지 셀들의 제3 반-전지 그룹을 통해 유동시키고 음의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계; 및 양의 반-전지 전해질을 제4 전해질 도관을 경유하여 양의 반-전지 전해질 저장소로부터 유체적으로 결합된 양의 반-전지 셀들의 제4 반-전지 그룹을 통해 유동시키고 양의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계를 더 포함하고; 음의 반-전지 전해질은 제1 및 제3 반-전지 그룹들 속으로 평행하게 유동되고; 양의 반-전지 전해질은 제2 및 제4 반-전지 그룹들 속으로 평행하게 유동된다. 이러한 실시예는 예컨대, 도 7b에 도시된 바와 같은 스택을 가진 본 발명의 실시예들의 레독스 플로우 배터리 시스템을 이용하여 수행된다. 나아가서, 음의 반-전지 전해질은 제1 및 제3 반-전지 그룹들로부터 또는 그들 밖으로 평행하게 유동될 수 있다. 또한, 양의 반-전지 전해질은 제2 및 제4 반-전지 그룹들로부터 또는 그들 밖으로 평행하게 유동될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 방법들에 의해, 전해질은 예컨대, 셀들의 스택을 통해, RFB의 반-전지들을 통해 보다 균질하게 유동된다. 부가적으로, 활성화 과전압에 기인하는 손실들, 옴 손실들 및 수송 한계에 기인하는 손실들이 감소된다. 특히, 션트들의 수가 감소함에 따라, 시스템을 통해 유동하는 전해질의 총저항으로부터 발생하는 손실들이 감소된다. 또한, 션트들의 수가 감소되면, 전극 재료의 전해질 유동-관련 퇴화가 감소된다. 나아가서, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은, 전해질 유동 동안 유압적 손실들의 감소에 기인하여 즉, 전해질을 펌핑하기 위해 필요한 에너지의 양의 감소에 기인하여, RFB 시스템의 극히 효과적인 성능을 가능하게 한다.
실시예들에 따른 방법은 본 발명의 임의의 실시예에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템 내에서 수행된다. 본 발명에 따른 방법의 일부 예들에서, 음의 반-전지 전해질과 양의 반-전지 전해질의 적어도 하나는 각각의 반-전지들의 플로우-바이 전극들에 맞대어 및/또는 이들을 따라 유동될 수 있다. 특히, 방법의 일부 실시예들에서, 음의 반-전지들 및/또는 양의 반-전지들의 적어도 하나의 반-전지는 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극을 포함할 수 있다.
Example 1: PVC 그래파이트 기재를 이용한 플로우-바이 전극의 제조
그래파이트 파우더가 PVC 용액(THF/사이클로헥사논/부탄온 혼합물 내의 U-PVC) 내에 분산되었다. 이러한 분산은 기재 상에 스프레이되었고 금속 기재들을 위한 Example 3에서 기술된 바와 같이 건조되었다. 건조는 실온에서 용매 증발에 의해 수행되었다. 건조 후, 고체는 금속 기재로부터 긁어 내고 회전 나이프를 이용하여 파쇄되었다. 컴파운드는 여과되어 전극 생산을 위해 준비되었다.
전기화학적 활성층을 준비하기 위하여, 컴파운드는 활성 재료인 카본 블랙(12 중량 퍼센트)과 혼합되었다.
기재는 가압 도구 내에서 미리-가압되었다(상온에서 2t, 10초). 이어서, 활성층이 기재 상에 놓여져 전극이 가압되었다(140-150℃에서 6t, 2분).
적절한 펀치 또는 캘린더를 이용하여, 거칠기와 표면 구조가 전극에 부가될 수 있다. 거칠기는 활성 표면을 증가시켜야 하고, 표면 구조는 플로우 셀 내의 난류를 증가시키고 멤브레인을 안정화시켜야 한다.
대안적으로, 표면 구조는 표면에 절삭될 수 있거나, 활성층이 여과된(300-425㎛) 식염 또는 수용성 폴리머(예, 폴리비닐알콜)에 부가될 수 있다. 가압 후, 전극은 증류수로 적어도 16시간 동안 세척될 수 있다.
Example 2: 구조화된 플로우-바이 전극 표면과 비구조화된 플로우-바이 전극 표면 사이의 비교
Example 1에서 설명된 바와 같이, 플로우-바이 전극이 제조되었다. 구조(도 6 참조)는 기재의 표면을 세기고(대략 0.5mm 깊이), 카본 블랙 분산으로서 활성층이 구조화된 기재 상에 스프레이되었다. 구조화된 표면이 없는 플로우-바이 전극은 비교대상으로 사용되었다. 2개의 전극들 모두는 동일한 전해질들을 이용하여 동일한 유동 속도로 작동되는 플로우-바이 셀들에 도입되었다. 구조화된 표면을 가진 전극을 구비하는 플로우-셀은 5배 증가된 분산 전류와 3.5배 증가된 용량을 나타내었다.
Example 3
기재는 0.8mm의 두께를 가진 NiCrMo 스테인리스 스틸 쉬트(W.Nr. 1.4401; AISI:316)의 딥 드로잉에 의해 제조되었다. 그렇게 함으로써, 81cm의 길이와 60cm의 길이를 가진 프로파일드 직사각 플레이트는 일면에 79×58cm2의 기하학적 치수를 가진 오픈 플럭스 구조로 제조되었다. 오픈 플럭스 구조는, 도 6에 도시된 바와 같이, 대략 5mm의 높이와 3mm의 두께를 가진 유동 장벽들 사이에 위치된 3mm의 폭의 유동 채널들로 구성되었다. 기재는 5M H2SO4 내에서 양극 처리에 의해 세척되었고, 아세톤으로 린스되고 공기 건조되었다.
보호/접촉층을 형성하기 위해, 80 vol%(부피 퍼센트)의 그래파이트와 20 vol%의 PVC를 함유하는 혼합물이 기재에 부가되었다. 이것은 그래파이트, PVC, 및 사이클로헥사논/부탄온 용매의 균질화된 혼합물을 SATA의 Minijet 4400 BRP 스프레이 피스톨을 이용한 스프레이 코팅에 의해 수행되었다. 스프레이될 150ml의 균질화된 혼합물을 얻기 위해, 160g의 Graphit Kropfmuhl의 Graphi FP 99.5, 123.5ml의 Tangit의 PVC-U Express, 및 307ml의 사이클로헥사논과 부탄온의 1:2 용매 혼합물이 1시간 동안 교반되었다.
제1 단계에서, 보호/접촉층 혼합물은 기재로부터 10cm 내지 15cm의 간격에서 기재 상에 0.5bar의 스프레이 압력으로, 6cm/s의 주기적 옵셋 속도를 이용하여 스프레이되고, 건조되었다. 건조 후, 제2 단계에서, 제1 단계의 과정이 반복되었다. 이어서, 제3 단계에서, 제1 단계가 다시 반복되었지만, 혼합물의 스프레이 작업은 기재로부터 30cm의 간격에서 30cm/s의 주기적 옵셋 속도로 수행되었다. 결과적인 보호/접촉층의 두께는 250㎛ 내지 300㎛의 범위이었고, 이것은 Trotec의 BB 25 두께 게이지를 이용하여 측정되었다.
이어서, 30nm의 입자 사이즈를 가진 순수 카본 블랙 입자들의 대략 3개의 층들로 이루어진 전기화학적 활성층은, Pro-Tek의 HVLP mini 2550 스프레에 피스톨을 이용하여, 스프레이 코팅에 의해 부가되었다. 스프레이될 혼합물은 Graphene Supermarket의 Carbon Black 0.5g과 45 vol%의 부탄온과 55 vol%의 아세톤의 용매 혼합물의 25ml로 구성되었고, Miccra의 D-9 균질기 내에서 21,000rpm으로 3분 동안 균질화되었다. 기재가 스프레이 축에 대해 약간 경사진 상태로 주기적으로 이동 및 회전되는 동안, 혼합물은 기재로부터 30cm의 간격에서, 2.5bar의 스프레이 압력으로, 기재의 보호/접촉층 상에 스프레이되었다.
25℃에서 2일 동안 건조한 후, 플로우-바이 전극이 마무리되었다. 사용된 재료들에 기인하고 제조 방법에 기인하여, 플로우-바이 전극은 선행기술의 플로우-쓰루 전극들의 제조 비용의 20%에 달하는 비용으로 제조되었다. 또한, 플로우-바이 전극은 기계적 강도가 높았다. 부가적으로, 79cm의 전기화학적 활성 길이를 가진 플로우-바이 전극은 대략 50cm의 길이를 가진 전형적인 선행기술의 플로우-쓰루 전극들의 그것보다 더 길었다.
6개의 플로우-바이 전극들은 전술한 바와 같이 제조되었고, 도 7a에 대하여 전술한 바와 같이, RFB의 3개의 셀들의 스택에 설치되었다. 스택은 엔드플레이트들에 의해 갇혀졌고, 스택의 셀들은 바이폴라 플레이트들에 의해 분리되었다. 각각의 셀에서, 81×60cm2의 사이즈의 2개의 반-전지들이 결합되었고, Nafion® 멤브레인에 의해 분리되었고, 반-전지들 각각은 플로우-바이 전극들의 하나를 포함하고 있다. 플로우-바이 전극들은 각각 전기적 접촉에 의해 바이폴라 플레이트들에 또는 각각의 엔드플레이트들에 연결되었다.
바나듐 레독스 플로우 배터리는 전술한 스택을 이용하여 작동되었고, 여기서, 전해질은 V(II)/V(III) 및 V(IV)/V(V) 산화환원 쌍이 각각 포함되었다. 대략 200l/min의 전해질은 1bar의 압력으로 개별 반-전지들에 공급되었다. 따라서, 수 기압에서 작동된 플로우-쓰루 전극들을 포함하는 선행기술과 비교하여, 유압 에너지가 덜 필요하였고 시스템의 효율이 증가되었다. 또한, 플로우-바이 전극은 50mm/s보다 더 큰 전해질 유동 속도를 가능하게 하는 반면, 플로우-쓰루(FT) 전극들을 이용하는 알려진 RFB들의 셀들 내에서, 유동 속도는 10mm/s보다 더 작은 범위이다. 그러므로, 오픈 플럭스 표면 구조 덕택으로, 플로우-바이 전극은 더 높은 유동 속도들로 작동될 수 있다. 또한, 선행기술의 플로우-쓰루 전극들과 비교할 때, 증가된 길이를 가진 플로우-바이 전극들이 이용될 수 있다.
결론
본 발명의 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트는 전극 표면을 따라 유동하는 전해질 내의 최적화된 대량 수송을 가능하게 함으로써, 예컨대, 플로우-바이 전극이 이용되는 RFB의 성능을 증가시킨다. 이것은 특히, 대량의 확산 수송이 만연하는, 전극 표면들에서 전해질의 층류 경계층들의 감소에 기인한다. 층류 경계층들은 플로우-바이 전극의 특수한 표면 구조에 기인하는 최적화된 유동 관리 및/또는 유동 제어에 의해 감소된다. 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트는 높은 유동 속도를 가진 전해질 유동이 전극 표면에 영향을 주지 않으면서 플로우-바이 전극의 표면에 맞대고 그것을 따라 안내되게 하지만, 층류 경계층을 더 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트에 의해, 대량의 대류 수송이 촉진되고 수송 한계의 영향이 감소된다. 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트는 대략 50mm/s 내지 100mm/s의 범위의 전해질 유동 속도를 가능하게 하는 한편, 플로우-쓰루(FT) 전극들을 이용하는 알려진 RFB들의 셀들 내부에서, 유동 속도는 10mm/s보다 더 작은 범위이다.
예컨대, RFB의 셀을 통해 유동하는 요구되는 전해질 체적은 확산 제한 전류의 결과로서 수송 한계에 의해 결정된다. 그러므로, 플로우-바이 전극들에는 일반적으로 상대적으로 높은 유동 속도가 요구된다. 그러나, 플로우-바이 전극들의 표면들에서 유동 저항은 플로우-쓰루(FT) 전극들의 표면들과 비교하여 수 배 크기만큼 더 작다. RFB의 셀당 더 높은 체적 유동은 전체 셀 조합 즉, 셀 스택 내부의 더 높은 체적 유동의 결과를 초래하여, 펌핑을 위한 더 높은 파워 조건으로 이어짐으로써 시스템 효율을 감소시킨다. 따라서, 레독스-플로우 배터리 시스템에 의해 그리고 본 발명의 실시예들에 따른 방법에 의해, 다수의 셀들 즉, 다수의 상응하는 반-전지들은, FT 전극들을 사용하여 일반적으로 수행되는 것과 같이 병렬로 연결되는 대신에, 유체적으로 직렬로 연결될 수 있다.
RFB 내부에서, 전해질의 요구되는 최대 활용에 기인하여, 셀들의 수 즉, 직렬로 연결될 수 있는 반-전지들의 수가 감소될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예들에 따른 레독스-플로우 배터리 시스템과 방법은 유체적으로 직렬로 연결된 반-전지들의 별개의 그룹들, 별개의 그룹들에 병렬로 공급되고 있는 전해질을 포함/이용할 수 있다. 이러한 구성 내부에서, 전체 셀 조합을 위한 체적 유동은, 모든 셀들 즉, 상응하는 반-전지들이 유체적으로 연결된 셀 조합의 체적 유동과 비교할 만하다. 그러나, 유체적으로 직렬로 연결된 셀들의 유동 저항들은, 병렬로 연결된 셀들의 총 유체 저항보다 결정적으로 더 작은 총 유체 저항에 부가된다. 그러므로, 더 작은 유압 에너지가 필요하고 시스템의 효율이 증가된다.
또한, 레독스 플로우 배터리 시스템에 의해 그리고 본 발명의 실시예들에 따른 방법에 의해, 전해질은 RFB의 반-전지들을 통해 예컨대, 셀들의 스택을 통해 더 균질하게 유동된다. 또한, 활성화 과전압에 기인하는 손실들, 옴 손실들 및 수송 한계에 기인하는 손실들을 포함하는 손실들이 감소된다. 특히, 시스템을 통해 유동하는 전해질의 총 저항으로부터 발생하는 손실들은 일부 반-전지들을 유체적으로 직렬로 연결함으로써 감소된 션트들의 수에 의해 최소화될 수 있다. 또한, 션트들의 수가 감소되면, 전극 재료들의 전해질-유동 관련 퇴화가 감소된다. 나아가서, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은, 전해질 유동 동안 유압적 손실의 감소 덕택으로, RFB의 극히 효과적인 성능을 가능하게 한다.
실시예들에 따른 플로우-바이 전극 유니트는 전해질이 그에 맞대어 및/또는 그것을 따라 유동될 수 있는 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조를 가진다. 본 발명에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 일부 실시예들에서, 전극과 바이폴라 플레이트 또는 엔드 플레이트는 일체적 유니트를 형성할 수 있고, 및/또는 합성물 재료을 형성할 수 있다. 플로우-바이 전극의 이러 저러한 실시예들은 저렴한 비용으로 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 임의의 실시예의 플로우-바이 전극 유니트는 바이폴라 플레이트와 엔드플레이트와 같은 도체들에 대한 신뢰할 수 있는 전기적 접촉을 가질 수 있고, 작동 동안 예컨대, RFB 내에서 낮은 옴 손실들을 보장할 수 있다. 또한, 실시예들의 플로우-바이 전극 유니트는 높은 기계적 안정성을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예들은 부가적인 활성이 필요하지 않도록, 표면의 높은 전기화학적 활성을 보여준다. 실시예들의 플로우-바이 전극은, 높은 유동 속도들이 얻어질 수 있도록, 그 표면에서 및/또는 배터리의 셀 예컨대, RFB 내부에서 균질한 유동을 가능하게 한다. 오픈 플럭스 표면 구조들에서 유동 저항은 낮을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 플로우-바이 전극은, 선행기술의 플로우-쓰루 전극들과 비교하여, 증가된 길이를 가지도록 형성될 수 있고, 예컨대, RFB의 큰 사이즈의 배터리 셀에 사용될 수 있어서, 에너지 효율을 개선시킬 수 있다. 본 발명의 실시예들의 레독스 플로우 배터리 시스템과 방법에 따르면, RFB 내에 제공된 다수의 반-전지들은 유체적으로 직렬로 연결될 수 있다. 그렇게 함으로써, 반-전지들 사이의 유압적/유체 연결들에서 필요한 션트들의 수가 작아질 수 있다.
전술한 내용은 본 발명의 실시예들과 예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 추가적인 실시예들이 고안될 수 있다. 특히, 전술한 실시예들과 예들의 상호 비-배타적인 특징들은 서로 결합될 수 있다.
특히, 본 발명은 다음과 같은 항목들에 의해 특징지을 수 있다.
1. 특히, 레독스 플로우 배터리용 플로우-바이 전극 유니트로서, 유니트는 기재(52)를 포함하고 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)를 가진 플로우-바이 전극(50,55)을 구비한다.
2. 항목 1에 따른 유니트로서, 기재(52)는 2개의 오픈 플럭스 표면 구조들(54) 사이에 위치된다.
3. 항목 1 또는 2에 따른 유니트로서, 적어도 하나의 오픈 플럭스 구조(54)는 전기화학적으로 활성이다.
4. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 플로우-바이 전극 유니트와 기재(52)의 적어도 하나는 특히, 레독스 플로우 배터리를 위한, 바이폴라 플레이트 또는 엔드플레이트이거나 이것을 포함한다.
5. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 플로우-바이 전극 유니트는 실질적으로 전해질 불투과성이거나 실질적으로 비-다공성이다.
6. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 오픈 플럭스 표면 구조(54)는 플로우-바이 전극을 따라 전해질 유동 방향을 구획한다.
7. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 오픈 플럭스 표면 구조(54)는 다수의 유동 채널들(56)을 포함한다.
8. 항목 7에 따른 유니트로서, 다수의 유동 채널들은 적어도 하나의 구불구불한 유동 채널(56)을 포함한다.
9. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 오픈 플럭스 표면 구조는 다수의 유동 장벽들(60)을 포함한다.
10. 항목 9에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 채널들(56)은 하나 이상의 유동 장벽들(60)에 의해 형성된다.
11. 항목 9 또는 항목 10에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 채널들(56)은 2개 이상의 유동 장벽들(60) 사이에 형성된다.
12. 항목 7 내지 항목 11 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 채널들(56)은 유동 방향으로 유체 전해질 유동을 지연시키도록 구성된다.
13. 항목 9 내지 항목 12 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 장벽들(60)은 유동 방향으로 유체 전해질 유동을 지연시키도록 구성된다.
14. 항목 9 내지 항목 13 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 3개 이상의 유동 장벽들(60)은 패턴으로 배치된다.
15. 항목 9 내지 항목 14 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 3개 이상의 유동 장벽들(60)은 적어도 하나의 줄(row)로 배치된다.
16. 항목 9 내지 항목 15 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 장벽들(60)은 U-형상을 가진다.
17. 항목 9 내지 항목 16 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 장벽들(60)은 2개의 측면 끝단부들과 적어도 하나의 돌기가 형성된 굴곡된 중간부를 가진다.
18. 항목 17에 따른 유니트로서, 끝단부들의 적어도 하나는 테이퍼진 팁(tip)을 가진다.
19. 항목 17 또는 항목 18에 따른 유니트로서, 돌기들의 적어도 하나는 테이퍼진 팁을 가진다.
20. 항목 14 내지 항목 19 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 패턴은 옵셋 패턴이다.
21. 항목 15 내지 항목 20 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 적어도 2개의 줄들은 옵셋된다.
22. 항목 15 내지 항목 21 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 적어도 2개의 줄들은 유동 방향에 수직으로 배치된다.
23. 항목 15 내지 항목 22 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 적어도 2개의 이웃하는 줄들의 유동 장벽들(60)은 교호 패턴으로 배치된다.
24. 항목 17 내지 항목 23 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 장벽들(60)의 측면 끝단부들은 유동 방향으로 유도되고, 및/또는 그 반대이다.
25. 항목 17 내지 항목 23 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 하나 이상의 유동 장벽들(60)의 굴곡된 중간부는 반대 방향들에 마련된 적어도 하나의 돌기 또는 2개의 돌기들을 가지고, 돌기(들)는 유동 방향에 평행하게 배치되어 있다.
26. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 플로우-바이 전극(50,55)과 기재(52)는 일체적 유니트를 형성한다.
27. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 플로우-바이 전극(50,55)과 기재(52)는 복합 재료로 형성된다.
28. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 플로우-바이 전극(50,55)은 기재 상에 형성된 적어도 하나의 보호/접촉층을 포함한다.
29. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 플로우-바이 전극(50,55)은 기재 상에 형성된 적어도 하나의 전기화학적 활성층을 포함한다.
30. 항목 28 또는 항목 29에 따른 유니트로서, 플로우-바이 전극(50,55)은 하나 이상의 보호/접촉층들 상에 형성된 적어도 하나의 전기화학적 활성층을 포함하낟.
31. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)의 하나 이상의 프로파일들은 기재 상에 형성된다.
32. 항목 28 내지 항목 31 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)의 하나 이상의 프로파일들은 적어도 하나의 보호/접촉층들 내에 형성된다.
33. 항목 29 내지 항목 32 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)의 하나 이상의 프로파일들은 적어도 하나의 전기화학적 활성층들 내에 형성된다.
34. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 기재(52)는 전기 전도성이다.
35. 항목 28 내지 항목 34 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 보호/접촉층은 전기 전도성이다.
36. 항목 29 내지 항목 35 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 전기화학적 활성층은 전기 전도성이다.
37. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 기재(52)는 금속, 경금속, 전이 금속, 금속 합금, 합금강, 전기 전도성 복합재, 합성물, 폴리머, 카본, 및 카본 개량으로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함한다.
38. 임의의 선행하는 항목들에 따른 유니트로서, 보호/접촉층은 전기 전도성 폴리머, 전기 전도성 세라믹, 카본, 카본 개량, 금속, 및 바인더로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함한다.
39. 항목 29 내지 항목 38 중 어느 한 항목에 따른 유니트로서, 전기화학적 활성층은 금속, 금속 컴파운드, 카본, 카본 컴파운드, 전기 전도성 세라믹, 및 바인더로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함한다.
40. 임의의 선행하는 항목들에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 용도로서, 에너지 저장 및/또는 공급 디바이스 특히, 레독스 플로우 배터리 내의 용도.
41. 항목 1 내지 항목 39 중 어느 한 항목에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 용도로서, 에너지를 저장 및/또는 공급하기 위한 용도.
42. 항목 1 내지 항목 39 중 어느 한 항목에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 제조 방법으로서, 기재(52) 및 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)를 포함하는 전극 본체를 형성하는 단계를 포함한다.
43. 레독스 플로우 배터리 시스템으로서, 멤브레인에 의해 분리된 음의 반-전지와 양의 반-전지를 각각 포함하는 적어도 2개의 셀들(71); 음의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제1 전해질 도관(78)에 의해 유체적으로 결합된 적어도 2개의 음의 반-전지들에 의해 형성된 제1 반-전지 그룹; 및 양의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제2 전해질 도관(79)에 의해 유체적으로 결합된 적어도 2개의 양의 반-전지들에 의해 형성된 제2 반-전지 그룹을 구비하고; 반-전지들의 적어도 하나 또는 각각은 항목 1 내지 항목 39 중 어느 한 항목에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 구비한다.
44. 항목 43에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템으로서, 음의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제3 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합되어 있는, 적어도 2개의 다른 음의 반-전지들에 의해 형성된 제3 반-전지 그룹; 및 양의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제4 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합되어 있는, 적어도 2개의 다른 양의 반-전지들에 의해 형성된 제4 반-전지 그룹을 더 구비하고; 다른 반-전지들의 적어도 하나 또는 각각은 항목 1 내지 항목 39 중 어느 한 항목에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 포함하고; 제1 및 제3 반전지 그룹들은 제1 및 제3 전해질 도관들에 의해 병렬로 결합되고, 제2 및 제4 반-전지 그룹들은 제2 및 제4 전해질 도관들에 의해 병렬로 결합된다.
45. 항목 43 또는 항목 44에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템으로서, 셀들은 전도성 인터셀 세퍼레이터들(72)에 의해 분리되고, 항목 1 내지 항목 39 중 어느 한 항목에 따른 플로우-바이 전극 유니트는 하나 이상의 전도성 인터셀 세퍼레이터들 내에 포함되어 있다.
46. 항목 43 내지 항목 45 중 어느 한 항목에 따른 레독스 플로우 배터리로서, 셀들은 하나 이상의 엔드플레이트들(74)에 의해 갇히고, 항목 1 내지 항목 39 중 어느 한 항목에 따른 플로우-바이 전극 유니트는 하나 이상의 엔드플레이트들 내에 포함되어 있다.
47. 항목 43 내지 항목 46 중 어느 한 항목에 따른 레독스 플로우 배터리로서, 하나 이상의 제1 및 제3 반-전지 그룹들 내부에서, 2개 이상의 유체적으로 결합된 음의 반-전지들은 서로 직렬로 결합된다.
48. 항목 43 내지 항목 47 중 어느 한 항목에 따른 레독스 플로우 배터리로서, 하나 이상의 제2 및 제4 반-전지 그룹들 내부에서, 2개 이상의 유체적으로 결합된 양의 반-전지들은 서로 직렬로 결합된다.
49. 항목 43 내지 항목 48 중 어느 한 항목에 따른 레독스 플로우 배터리의 용도로서, 에너지를 저장 및/또는 공급하기 위한 용도.
50. 항목 43 내지 항목 48 중 어느 한 항목에 따른 레독스 플로우 배터리의 작동 방법으로서, 제1 전해질 도관(78)을 경유하여 음의 반-전지 전해질 저장소로부터 음의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제1 반-전지 그룹을 통과하여 음의 반-전지 전해질을 유동시키고 음의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계; 및 제2 전해질 도관(79)을 경유하여 양의 반-전지 전해질 저장소로부터 양의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제2 반-전지 그룹을 통과하여 양의 반-전지 전해질을 유동시키고 양의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계를 포함하고; 음의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원가능하고 산화가능한 제1 산화환원 쌍의 화학종이고, 양의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원가능하고 산화가능한 제2 산화환원 쌍의 화학종이다.
51. 항목 50에 따른 방법으로서, 이 방법은 항목 44 내지 항목 48 중 어느 한 항목에 따른 시스템을 이용하여 수행되고, 이 방법은, 제3 전해질 도관을 경유하여 음의 반-전지 전해질 저장소로부터 음의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제3 반-전지 그룹을 통과하여 음의 반-전지 전해질을 유동시키고 음의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계; 및 제4 전해질 도관을 경유하여 양의 반-전지 전해질 저장소로부터 양의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제4 반-전지 그룹을 통과하여 양의 반-전지 전해질을 유동시키고 양의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계를 더 포함하고; 음의 반-전지 전해질은 제1 및 제3 반-전지 그룹들 속으로 병렬로 유동되고, 양의 반-전지 전해질은 제2 및 제4 반-전지 그룹들 속으로 병렬로 유동된다.
52. 항목 50 또는 항목 51에 따른 방법으로서, 음의 반-전지 전해질과 양의 반-전지 전해질의 적어도 하나는 각각의 반-전지들의 플로우-바이 전극들에 맞대어 및/또는 그것들을 따라 유동된다.
10...셀 12,14...반-전지
16,18...전극 20...멤브레인
22,24...도관 26,28...펌프
30,32...탱크 40...배터리 스택
41...션트 42...바이폴라 플레이트
44...엔드플레이트 45...FT 전극들의 조합
46,48...전극 50...플로우-바이 전극
52...기재 54...오픈 플럭스 표면 구조
55...플로우-바이 전극 56...유동 채널
60...유동 장벽 70...스택
71...셀 72...인터셀 세퍼레이터
74...엔드플레이트 78,79...전해질 도관
80...스택 81...션트
16,18...전극 20...멤브레인
22,24...도관 26,28...펌프
30,32...탱크 40...배터리 스택
41...션트 42...바이폴라 플레이트
44...엔드플레이트 45...FT 전극들의 조합
46,48...전극 50...플로우-바이 전극
52...기재 54...오픈 플럭스 표면 구조
55...플로우-바이 전극 56...유동 채널
60...유동 장벽 70...스택
71...셀 72...인터셀 세퍼레이터
74...엔드플레이트 78,79...전해질 도관
80...스택 81...션트
Claims (42)
- 레독스(redox) 플로우(flow) 배터리용 플로우-바이(flow-by) 전극 유니트로서,
기재(52)를 포함하고, 다수의 유동 장벽들(60)과 상기 유동 장벽들(60)에 의해 또는 장벽들(60) 사이에 형성된 다수의 유동 채널들(56)을 포함하는 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)를 가진, 플로우-바이 전극(50,55)을 구비하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1에서,
하나 이상의 상기 유동 장벽들(60)은 U-형상을 가진, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 또는 청구항 2에서,
하나 이상의 상기 유동 장벽들(60)은 2개의 측면 끝단부들, 및 적어도 하나 또는 2개의 돌기(들)이 그 위에 형성된 굴곡된 중간부를 가진, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 3에서,
적어도 하나의 상기 끝단부들 및/또는 적어도 하나의 돌기들은 테이퍼진 팁을 가진, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1에서,
상기 유동 장벽들(60)은 패턴으로 배치되고, 상기 패턴은 상기 유동 장벽들(60)의 적어도 하나의 줄(row)을 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에서,
상기 패턴은 상기 유동 장벽들의 적어도 2개의 옵셋 줄들을 포함하는 옵셋 패턴인, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 5 또는 청구항 6에서,
적어도 2개의 줄들은 유동 방향에 수직으로 배치된, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에서,
적어도 3개의 인접하는 줄들의 상기 유동 장벽들(60)은 교호 패턴으로 배치된, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에서,
하나 이상의 상기 유동 장벽들(60)의 상기 측면 끝단부들은 유동 방향으로 향하고 및/또는 그 반대인, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 한 항에서,
하나 이상의 상기 유동 장벽들(60)의 상기 굴곡된 중간부는 적어도 하나의 돌기 또는 반대 방향으로 마련된 2개의 돌기들을 가지고, 상기 돌기(들)는 유동 방향에 평행하게 배치된, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에서,
상기 다수의 유동 채널들은 적어도 하나의 구불구불한 유동 채널(56)을 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에서,
상기 오픈 플럭스 표면 구조(54)는 상기 플로우-바이 전극을 따라 전해질 유동 방향을 구획하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에서,
하나 이상의 상기 유동 채널들(56) 및/또는 유동 장벽들(60)은 유동 방향으로 흐르는 유체 전해질을 지연시키도록 구성된, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에서,
상기 다수의 유동 장벽들(60)은 도 6a에 도시된 바와 같은, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에서,
상기 기재(52)는 청구항 2 내지 청구항 12에 정의된 바와 같은 2개의 오픈 플럭스 표면 구조들(54) 사이에 위치된, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에서,
상기 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)는 전기화학적으로 활성인, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에서,
상기 플로우-바이 전극 유니트와 상기 기재(52)의 적어도 하나는 특히, 레독스 플로우 배터리를 위한 바이폴라 플레이트 또는 엔드플레이트이거나 그것을 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에서,
상기 플로우-바이 전극 유니트는 실질적으로 전해질 불투과성이거나 실질적으로 비-다공성인, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에서,
상기 플로우-바이 전극(50,55)과 상기 기재(52)는 일체적 유니트를 형성하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에서,
상기 플로우-바이 전극(50,55)과 상기 기재(52)는 복합 재료로 형성된, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에서,
상기 플로우-바이 전극(50,55)은 상기 기재 상에 형성된 적어도 하나의 보호/접촉층을 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 21 중 어느 한 항에서,
상기 플로우-바이 전극(50,55)은 상기 기재 상에 및/또는 하나 이상의 보호/접촉층 상에 형성된 적어도 하나의 전기화학적 활성층을 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 22 중 어느 한 항에서,
상기 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면 구조(54)의 적어도 하나 이상의 프로파일들은 상기 기재 내에 및/또는 적어도 하나의 보호/접촉층 내에 및/또는 적어도 하나의 상기 전기화학적 활성층 내에 형성된, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 23 중 어느 한 항에서,
상기 기재(52), 상기 보호/접촉층 및/또는 상기 전기화학적 활성층은 전기 전도성인, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 24 중 어느 한 항에서,
상기 기재(52)는 금속, 경금속, 전이 금속, 금속 합금, 합금강, 전기 전도성 복합재, 폴리머, 카본, 및 카본 개량 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 25에서,
상기 기재(52)는 폴리프로필렌과 카본 또는 카본 개량의 혼합물; 또는 폴리비닐클로라이드와 카본 또는 카본 개량의 혼합물; 또는 폴리에틸렌과 카본 또는 카본 개량의 혼합물을 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 26에서,
상기 카본 개량은 그래파이트로부터 선택되는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 21 내지 청구항 27 중 어느 한 항에서,
상기 보호/접촉층은 전기 전도성 폴리머, 전기 전도성 세라믹, 카본, 카본 개량, 금속 및 바인더로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 22 내지 청구항 28 중 어느 한 항에서,
상기 전기화학적 활성층은 금속, 금속 컴파운드, 카본, 카본 컴파운드, 전기 전도성 세라믹 및 바인더로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트.
- 청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 용도로서,
에너지 저장 및/또는 공급 디바이스 특히, 레독스 플로우 배터리 내의, 플로우-바이 전극 유니트의 용도.
- 청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 용도로서,
에너지를 저장 및/또는 공급하기 위한, 플로우-바이 전극 유니트의 용도.
- 청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 따른 플로우-바이 전극 유니트의 제조 방법으로서,
기재(52) 및 적어도 하나의 오픈 플럭스 표면(54)을 구비하는 전극 본체를 형성하는 단계를 포함하는, 플로우-바이 전극 유니트의 제조 방법.
- 레독스 플로우 배터리 시스템으로서,
멤브레인에 의해 분리된 음의 반-전지(half-cell)와 양의 반-전지를 각각 포함하는 적어도 2개의 셀들(71); 음의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제1 전해질 도관(78)에 의해 유체적으로 결합된 음의 반-전지들의 적어도 2개에 의해 형성된 제1 반-전지 그룹; 및 양의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제2 전해질 도관(79)에 의해 유체적으로 결합된 양의 반-전지들의 적어도 2개에 의해 형성된 제1 반-전지 그룹을 구비하고;
반-전지들의 적어도 하나 또는 각각은 청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 포함하는, 레독스 플로우 배터리 시스템.
- 청구항 33에서,
음의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제3 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합되어 있는 적어도 2개의 다른 음의 반-전지들에 의해 형성된 제3 반-전지 그룹; 및 양의 반-전지 전해질 저장소에 유체적으로 연결된 제4 전해질 도관에 의해 유체적으로 결합되어 있는 적어도 2개의 다른 양의 반-전지들에 의해 형성된 제4 반-전지 그룹을 구비하고;
상기 다른 반-전지들의 적어도 하나 또는 각각은 청구항 1 내지 청구항 39 중 어느 한 항에 따른 플로우-바이 전극 유니트를 포함하고,
상기 제1 반-전지 그룹과 상기 제3 반-전지 그룹은 상기 제1 전해질 도관과 상기 제3 반-전지 도관에 병렬로 결합되고, 상기 제2 반-전지 그룹과 상기 제4 반전지 그룹은 상기 제2 전해질 도관과 상기 제4 전해질 도관에 의해 병렬로 결합된, 레독스 플로우 배터리 시스템.
- 청구항 33 또는 청구항 34에서,
상기 셀들은 전도성 인터셀 세퍼레이터들(72)에 의해 분리되고, 청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 따른 상기 플로우-바이 전극 유니트는 하나 이상의 상기 전도성 인터셀 세퍼레이터들 내에 포함되어 있는, 레독스 플로우 배터리 시스템.
- 청구항 33 내지 청구항 35 중 어느 한 항에서,
상기 셀들은 하나 이상의 엔드플레이트들(74)에 의해 갇히고, 청구항 1 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 따른 상기 플로우-바이 전극 유니트는 하나 이상의 상기 엔드플레이트들 내에 포함되어 있는, 레독스 플로우 배터리 시스템.
- 청구항 33 내지 청구항 36 중 어느 한 항에서,
하나 이상의 제1 및 제3 반-전지 그룹들 내부에서, 2개 이상의 유체적으로 결합된 음의 반-전지들이 직렬로 서로 결합된, 레독스 플로우 배터리 시스템.
- 청구항 33 내지 청구항 37 중 어느 한 항에서,
하나 이상의 제2 및 제4 반-전지 그룹들 내부에서, 2개의 이상의 유체적으로 결합된 양의 반-전지들이 직렬로 서로 결합된, 레독스 플로우 배터리 시스템.
- 청구항 33 내지 청구항 38 중 어느 한 항에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템의 용도로서,
에너지를 저장 및/또는 공급하기 위한, 레독스 플로우 배터리 시스템의 용도.
- 청구항 33 내지 청구항 38 중 어느 한 항에 따른 레독스 플로우 배터리 시스템의 작동 방법으로서,
제1 전해질 도관(78)을 경유하여 음의 반-전지 전해질 저장소로부터 음의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제1 반-전지 그룹을 통과하여 음의 반-전지 전해질을 유동시키고 음의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계; 및
제2 전해질 도관(79)을 경유하여 양의 반-전지 전해질 저장소로부터 양의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제2 반-전지 그룹을 통과하여 양의 반-전지 전해질을 유동시키고 양의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계를 포함하고;
상기 음의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원가능하고 산화가능한 제1 산화환원 쌍의 화학종이고,
상기 양의 반-전지 전해질은 유체이고 가역적으로 환원가능하고 산화가능한 제2 산화환원 쌍의 화학종인, 레독스 플로우 배터리 시스템의 작동 방법.
- 청구항 40에서,
상기 방법은 청구항 34 내지 청구항 38 중 어느 한 항에 따른 시스템을 이용하여 수행되고,
상기 방법은,
제3 전해질 도관을 경유하여 음의 반-전지 전해질 저장소로부터 음의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제3 반-전지 그룹을 통과하여 음의 반-전지 전해질을 유동시키고 음의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계; 및
제4 전해질 도관을 경유하여 양의 반-전지 전해질 저장소로부터 양의 반-전지들에 유체적으로 결합된 제4 반-전지 그룹을 통과하여 양의 반-전지 전해질을 유동시키고 양의 반-전지 전해질 저장소로 되돌려 유동시키는 단계를 더 포함하고;
상기 음의 반-전지 전해질은 제1 및 제3 반-전지 그룹들 속으로 병렬로 유동되고,
상기 양의 반-전지 전해질은 제2 및 제4 반-전지 그룹들 속으로 병렬로 유동되는, 레독스 플로우 배터리 시스템의 작동 방법.
- 청구항 40 또는 청구항 41에서,
상기 음의 반-전지 전해질과 상기 양의 반-전지 전해질의 적어도 하나는 각각의 반-전지들의 플로우-바이 전극들에 맞대어 및/또는 전극들을 따라 유동되는, 레독스 플로우 배터리 시스템의 작동 방법.
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