KR20200035908A

KR20200035908A - 셀프레임, 셀스택, 및 레독스 플로우 전지

Info

Publication number: KR20200035908A
Application number: KR1020197019346A
Authority: KR
Inventors: 하야토 후지타; 하루히사 도요다
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2020-04-06
Also published as: JPWO2019021441A1; JP6525120B1; US20190348692A1; AU2017425044A1; TW201911623A; WO2019021441A1; CN110268566A

Abstract

쌍극판과 프레임체를 구비하는 셀프레임으로서, 입구 슬릿에 연결되고, 상기 셀프레임의 폭방향으로 연장되는 도입측 정류홈과, 출구 슬릿에 연결되고, 상기 폭방향으로 연장되는 배출측 정류홈과, 상기 도입측 정류홈과 상기 배출측 정류홈을 연통시키는 확산홈 유닛을 구비한다. 상기 확산홈 유닛은, 상기 도입측 정류홈으로부터 분기되어 상기 배출측 정류홈을 향해 신장되고, 상기 배출측 정류홈에 직접 연통되지 않는 도입측 세로홈과, 상기 배출측 정류홈으로부터 분기되어 상기 도입측 정류홈을 향해 연장되고, 상기 도입측 정류홈에 직접 연통되지 않는 배출측 세로홈과, 상기 도입측 세로홈과 상기 배출측 세로홈에 연통되는 하나 이상의 가로홈을 구비한다.

Description

셀프레임, 셀스택, 및 레독스 플로우 전지

본 발명은, 셀프레임, 셀스택, 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.

특허문헌 1∼4에는, 셀프레임, 정극 전극, 격막, 부극 전극 및 셀프레임을 복수개 적층하고, 그 적층체를 급배판 사이에 끼워 넣은 셀스택, 및 그 셀스택을 이용한 레독스 플로우 전지가 기재되어 있다. 셀프레임은, 정극 전극과 부극 전극 사이에 끼워지는 쌍극판과, 이 쌍극판을 외주로부터 지지하는 프레임체를 구비한다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀프레임의 쌍극판 사이에 하나의 셀이 형성된다.

특허문헌 1∼4에는, 셀 내의 정극 전극과 부극 전극에 충분히 전해액을 골고루 퍼지게 하기 위해, 쌍극판에서의 정극 전극에 대향하는 면과, 부극 전극에 대향하는 면에, 복수의 홈을 형성한 구성이 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2015-122230호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2015-122231호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2015-138771호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허 공개 제2015-210849호 공보

본 개시는, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있는 셀프레임 및 셀스택을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다. 또한, 본 개시는, 전지 성능이 우수한 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 원하는 하나로 한다.

[과제의 해결 수단]

본 개시의 셀프레임은,

레독스 플로우 전지의 정극 전극과 부극 전극 사이에 배치되는 쌍극판과, 상기 쌍극판을 외주측으로부터 지지하는 프레임체를 구비하고,

상기 프레임체는, 상기 쌍극판에 전해액을 도입하는 입구 슬릿과, 상기 쌍극판으로부터 상기 전해액을 배출하는 출구 슬릿을 갖는 셀프레임으로서,

상기 입구 슬릿에 연결되고, 상기 셀프레임의 폭방향으로 연장되는 도입측 정류홈과,

상기 출구 슬릿에 연결되고, 상기 폭방향으로 연장되는 배출측 정류홈과,

상기 도입측 정류홈과 상기 배출측 정류홈을 연통시키는 확산홈 유닛을 구비하고,

상기 확산홈 유닛은,

상기 도입측 정류홈으로부터 분기되어 상기 배출측 정류홈을 향해 신장되고, 상기 배출측 정류홈에 직접 연통되지 않는 도입측 세로홈과,

상기 배출측 정류홈으로부터 분기되어 상기 도입측 정류홈을 향해 연장되고, 상기 도입측 정류홈에 직접 연통되지 않는 배출측 세로홈과,

상기 도입측 세로홈과 상기 배출측 세로홈에 연통되는 하나 이상의 가로홈을 구비한다.

본 개시의 셀스택은,

본 개시의 셀프레임을 구비한다.

본 개시의 레독스 플로우 전지는,

본 개시의 셀스택을 구비한다.

도 1은 실시형태에 관한 레독스 플로우 전지의 동작 원리의 설명도이다.
도 2는 실시형태에 관한 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
도 3은 실시형태에 관한 셀스택의 개략 구성도이다.
도 4는 실시형태 1에 관한 셀프레임을 일면측에서 본 평면도이다.
도 5는 실시형태 2에 관한 셀프레임을 일면측에서 본 평면도이다.

[발명이 해결하고자 하는 과제]

최근, 자연 환경을 배려한 에너지 시스템의 구축이 요구되고 있고, 그 일환으로서 레독스 플로우 전지의 전지 성능의 향상이 기대되고 있다. 발명자들은, 레독스 플로우 전지의 셀프레임에 구비되는 쌍극판의 홈에 주목하여, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있는 구성을 검토했다.

[본원발명의 실시형태의 설명]

처음에 본원발명의 실시형태의 내용을 열기하여 설명한다.

<1> 실시형태에 관한 셀프레임은,

상기 확산홈 유닛은,

셀프레임에 확산홈 유닛을 설치함으로써, 셀프레임의 쌍극판 전면에 전해액을 신속하게 골고루 퍼지게 할 수 있고, 쌍극판에 중첩되는 전극의 전면에 전해액을 균일하게 공급할 수 있다. 또한, 셀프레임에 확산홈 유닛을 설치함으로써, 전극에 공급되어 활물질의 가수가 변화한 전해액을, 전극의 전면으로부터 균일하고 신속하게 회수할 수 있다.

셀프레임에 설치되는 확산홈 유닛은, 도입측 정류홈과 배출측 정류홈을 연통시키는 역할을 한다. 이와 같이, 도입측 정류홈과 배출측 정류홈을 연통시킴으로써, 전해액의 전지 반응에 따라 발생하는 가스나, 전해액에 원래 혼입되어 있는 가스, 전해액의 순환에 따라 전해액 탱크의 기상 등으로부터 전해액에 혼입되는 가스가 레독스 플로우 전지의 셀 내로부터 빠지기 쉬워진다. 그 결과, 셀 내에 가스가 체류하는 것에 따르는 문제, 예컨대 셀 내에 체류하는 가스에 의해 전해액과 전극의 접촉 면적이 감소하는 문제를 억제할 수 있고, 그 문제에 기인하는 레독스 플로우 전지의 셀 저항의 상승을 억제할 수 있다.

<2> 실시형태에 관한 셀프레임의 일형태로서,

상기 복수의 가로홈은,

상기 도입측 세로홈의 단부로부터 상기 배출측 세로홈을 향해 신장되는 제1 가로홈과,

상기 배출측 세로홈의 단부로부터 상기 도입측 세로홈을 향해 신장되는 제2 가로홈

을 포함하는 형태를 들 수 있다.

제1 가로홈을 설치함으로써, 도입측 세로홈의 단부로부터 배출측 정류홈을 향해 똑바로 빠지는 전해액을 줄이고, 도입측 세로홈의 단부로부터 셀프레임의 폭방향(제1 가로홈을 따르는 방향)으로 흐르는 전해액을 증가시킬 수 있다. 또한, 제2 가로홈을 설치함으로써, 도입측 정류홈으로부터 도입측 세로홈으로 향하는 전해액의 흐름에 더하여, 도입측 정류홈으로부터 제2 가로홈으로 향하는 전해액의 흐름이 형성되기 쉬워진다. 이와 같이, 제1 가로홈과 제2 가로홈을 설치함으로써, 홈이 없기 때문에 전해액이 흐르기 어렵게 되어 있는 개소에 전해액을 골고루 퍼지기 쉽게 할 수 있다. 그 결과, 쌍극판의 전면, 즉 쌍극판에 중첩되는 전극의 전면에 전해액을 골고루 퍼지기 쉽게 할 수 있다.

<3> 실시형태에 관한 셀프레임의 일형태로서,

상기 가로홈의 폭은, 상기 도입측 세로홈의 폭 및 상기 배출측 세로홈의 폭보다 좁은 형태를 들 수 있다.

가로홈의 폭을 세로홈보다 좁게 함으로써, 가로홈으로부터 전해액이 넘치기 쉬워진다. 가로홈으로부터 넘친 전해액은, 쌍극판의 평면 방향으로 퍼지기 쉬워지므로, 쌍극판의 전면, 즉 쌍극판에 중첩되는 전극의 전면에 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워진다.

<4> 상기 가로홈이 상기 세로홈보다 좁게 되어 있는 실시형태에 관한 셀프레임의 일형태로서,

상기 가로홈의 폭은, 상기 도입측 세로홈의 폭 및 상기 배출측 세로홈의 폭의 1/10 이상 1배 미만인 형태를 들 수 있다.

가로홈의 폭을 세로홈의 폭의 1/10 이상으로 함으로써, 쌍극판의 평면 방향으로의 전해액의 확산을 촉진할 수 있다. 또한, 가로홈의 폭을 세로홈의 1배 미만으로 함으로써, 가로홈을 통과하는 액량이 지나치게 커져, 전지 반응에 기여하지 않고 출구 슬릿에 배출되는 전해액을 줄일 수 있다. 이와 같이, 가로홈의 폭과 세로홈의 폭의 비를 상기 범위로 함으로써, 쌍극판에 중첩되는 전극의 전면을 효율적으로 이용할 수 있다.

<5> 실시형태에 관한 셀프레임의 일형태로서,

상기 가로홈의 깊이는, 상기 도입측 세로홈 및 상기 배출측 세로홈의 깊이보다 얕은 형태를 들 수 있다.

가로홈의 깊이를 세로홈보다 얕게 함으로써, 가로홈으로부터 전해액이 넘치기 쉬워진다. 가로홈으로부터 넘친 전해액은, 쌍극판의 평면 방향으로 퍼지기 쉬워지므로, 쌍극판의 전면, 즉 쌍극판에 중첩되는 전극의 전면에 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워진다.

<6> 실시형태에 관한 셀프레임의 일형태로서,

상기 확산홈 유닛이, 상기 셀프레임의 폭방향으로 복수개 나열되고,

인접하는 상기 확산홈 유닛 사이에서 상기 도입측 세로홈 또는 상기 배출측 세로홈을 공용하는 형태를 들 수 있다.

상기 구성에 의하면, 셀프레임의 폭방향으로 나열되는 복수의 확산홈 유닛의 세로홈 및 가로홈이 격자형으로 배치된다. 그 결과, 한층 더 쌍극판의 전면에 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워진다.

<7> 실시형태에 관한 셀프레임의 일형태로서,

상기 도입측 정류홈, 상기 배출측 정류홈 및 상기 확산홈 유닛이 상기 쌍극판에 설치되어 있는 형태를 들 수 있다.

모든 홈이 쌍극판에 설치되는 상기 구성에 의하면, 프레임체의 구성을 간소화할 수 있고, 셀프레임의 제작을 용이하게 할 수 있다.

<8> 실시형태에 관한 셀프레임의 일형태로서,

상기 도입측 정류홈 및 상기 배출측 정류홈이 상기 프레임체에 설치되고,

상기 확산홈 유닛이 상기 쌍극판에 설치되어 있는 형태를 들 수 있다.

정류홈이 프레임체에 설치되는 상기 구성에 의하면, 전해액이 쌍극판에 도입되기 전에 전해액을 셀프레임의 폭방향으로 확산시킬 수 있다.

<9> 실시형태에 관한 셀스택은,

실시형태에 관한 셀프레임을 구비한다.

상기 셀스택을 이용하여 레독스 플로우 전지를 제조하면, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 셀스택을 구성하는 셀프레임에 구비되는 실시형태의 쌍극판에 의해, 전극의 전면에 전해액이 골고루 퍼지기 쉽고, 또한 전극 내에 가스가 체류하기 어렵기 때문이다.

<10> 실시형태에 관한 레독스 플로우 전지는,

실시형태에 관한 셀스택을 구비한다.

실시형태에 관한 레독스 플로우 전지는, 실시형태의 셀스택을 이용하고 있기 때문에, 전지 성능이 우수하다.

[본원발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 개시의 레독스 플로우 전지(RF 전지)의 실시형태를 설명한다. 또, 본원발명은 실시형태에 제시되는 구성에 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 의해 제시되고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것을 의도한다.

<실시형태 1>

실시형태에 관한 레독스 플로우 전지(이하, RF 전지)를 도 1∼도 4에 기초하여 설명한다.

≪RF 전지≫

RF 전지는, 전해액 순환형의 축전지의 하나이며, 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 신에너지의 축전 등에 이용되고 있다. 이 RF 전지(1)의 동작 원리를 도 1에 나타낸다. 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(104)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(105)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, 충방전시에 펌프(112, 113)에 의해 셀(102, 103) 내에 순환된다. 충방전을 행하지 않은 경우, 펌프(112, 113)는 정지되고, 전해액은 순환되지 않는다.

≪셀스택≫

상기 셀(100)은 통상, 도 2, 도 3에 나타낸 바와 같은 셀스택(200)이라고 불리는 구조체의 내부에 형성된다. 셀스택(200)은, 서브스택(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 서브스택(200s)을 이용하고 있다).

서브스택(200s)(도 3)은, 셀프레임(2), 정극 전극(104), 격막(101) 및 부극 전극(105)을 복수개 적층하고, 그 적층체를 급배판(190, 190)(도 3의 하측 도면 참조, 도 2에서는 생략) 사이에 끼워 넣은 구성을 구비한다. 상기 구성을 구비하는 본 실시형태의 RF 전지(1)의 특징의 하나로서, 셀프레임(2)의 구성을 들 수 있다. 이하, 셀프레임(2)의 구성을 상세히 설명한다.

≪셀프레임≫

셀프레임(2)은, 관통창을 갖는 프레임체(22)와, 관통창을 막는 쌍극판(21)을 갖고 있다. 즉, 프레임체(22)는, 쌍극판(21)을 그 외주측으로부터 지지하고 있다. 이러한 셀프레임(2)은, 예컨대, 쌍극판(21)의 외주부에 일체로 프레임체(22)를 성형함으로써 제작할 수 있다. 또한, 관통 구멍의 외주 가장자리를 얇게 형성한 프레임체(22)와, 프레임체(22)와는 별도로 제작한 쌍극판(21)을 준비하고, 프레임체(22)의 박육부에 쌍극판(21)의 외주부를 끼워 넣음으로써 셀프레임(2)을 제작할 수도 있다. 이 셀프레임(2)의 쌍극판(21)의 일면측에는 정극 전극(104)이 접촉하도록 배치되고, 쌍극판(21)의 타면측에는 부극 전극(105)이 접촉하도록 배치된다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀프레임(2)에 끼워 넣은 쌍극판(21)의 사이에 하나의 셀(100)이 형성되게 된다.

도 3에 나타내는 급배판(190, 190)을 통한 셀(100)에 대한 전해액의 유통은, 셀프레임(2)에 형성되는 급액용 매니폴드(123, 124)와, 배액용 매니폴드(125, 126)에 의해 행해진다(도 4를 함께 참조). 정극용 전해액은, 급액용 매니폴드(123)로부터 셀프레임(2)의 일면측(지면 표면측)에 형성되는 입구 슬릿(123s)(도 4)을 통해 정극 전극(104)에 공급되고, 셀프레임(2)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(125s)(도 4)을 통해 배액용 매니폴드(125)에 배출된다. 마찬가지로, 부극용 전해액은, 급액용 매니폴드(124)로부터 셀프레임(2)의 타면측(지면 이면측)에 형성되는 입구 슬릿(124s)(도 4)을 통해 부극 전극(105)에 공급되고, 셀프레임(2)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(126s)(도 4)을 통해 배액용 매니폴드(126)에 배출된다. 각 셀프레임(2) 사이에는, O링이나 플랫 패킹 등의 고리형 시일 부재(127)가 배치되어, 서브스택(200s)으로부터의 전해액의 누설이 억제되고 있다.

본 예의 쌍극판(21)의 표면에는, 복수의 홈(도 3에서는 도시하지 않음)이 형성되어 있다. 그 홈의 구성에 관해, 도 4의 셀프레임(2)의 평면도를 이용하여 설명한다. 도 4에 나타내는 면은, 정극 전극(104)(도 3)이 배치되는 쪽의 면이며, 쌍극판(21) 중, 홈(2A, 2B, 4A, 4B, 51, 52, 53) 이외의 부분은 크로스해칭으로 나타나 있다. 이 셀프레임(2)에서의 전체적인 전해액이 흐르는 방향(유통 방향)은, 좌측에 굵은 선 화살표로 나타낸 바와 같이 지면 상방향이 된다.

도 4의 평면도에 나타낸 바와 같이, 쌍극판(21)의 표면에 복수의 홈(2A, 2B, 4A, 4B, 51, 52, 53)을 형성함으로써, 입구 슬릿(123s)을 통해 쌍극판(21)의 표면(지면 앞쪽)에 공급된 정극 전해액을 정극 전극(104)(도 3)의 전면에 균일하게 골고루 퍼지게 할 수 있다. 또한, 이들 홈(2A, 2B, 4A, 4B, 51, 52, 53)에는, 정극 전극(104)(도 3)에서 가수가 변화한 정극 활물질을 포함하는 정극 전해액을 정극 전극(104)의 전면으로부터 신속하게 회수하여, 출구 슬릿(125s)으로 유도하는 역할도 있다. 각 홈(2A, 2B, 4A, 4B, 51, 52, 53)의 상세에 관해서는 후술한다.

여기서, 쌍극판(21)의 이면에도 도 4와 동일한 홈이 형성되어 있고, 상기 이면에 배치되는 부극 전극(105)(도 3)에도 균일하게 부극 전해액이 골고루 퍼지고, 또한 가수가 변화한 부극 활물질을 포함하는 부극 전해액이 부극 전극(105)의 전면으로부터 신속하게 회수되도록 되어 있다. 쌍극판(21)의 이면의 홈의 구성은, 도 4에 나타내는 홈(2A, 2B, 4A, 4B, 51, 52, 53)의 구성과 동일하기 때문에 그 설명을 생략한다. 이후의 설명에서는 주로 정극측의 구성에 관해 설명한다.

[정류홈]

쌍극판(21)의 수직 하방측에 형성되는 도입측 정류홈(2A)은, 셀프레임(2)의 폭방향이자 유통 방향에 교차하는 방향(본 예에서는 직교하는 방향)으로 연장되어 있고, 입구 슬릿(123s)의 단부에 연결되어 있다. 도입측 정류홈(2A)은, 입구 슬릿(123s)으로부터 도입된 정극 전해액을, 셀프레임(2)의 폭방향(유통 방향에 직교하는 방향)으로 신속하게 확산시키기 위한 홈이다. 정극 전해액을 셀프레임(2)의 폭방향으로 확산시킴으로써, 쌍극판(21)의 전면, 즉 쌍극판(21)에 중첩되는 정극 전극(104)(도 3)의 전면에 정극 전해액을 골고루 퍼지기 쉽게 한다.

한편, 쌍극판(21)의 수직 상방측에 설치되는 배출측 정류홈(2B)도, 셀프레임(2)의 폭방향이자 유통 방향에 교차하는 방향(본 예에서는 직교하는 방향)으로 연장되어 있고, 출구 슬릿(125s)의 단부에 연결되어 있다. 배출측 정류홈(2B)은, 셀프레임(2)의 폭방향의 전체 길이로부터 정극 전해액을 회수하기 쉽게 하기 위한 홈이다.

[확산홈 유닛]

상기 정류홈(2A, 2B)에 더하여, 본 예의 셀프레임(2)의 쌍극판(21)은, 셀프레임(2)의 폭방향으로 나열되는 복수의 확산홈 유닛(3)을 구비한다. 확산홈 유닛(3)은, 도입측 세로홈(4A)과, 배출측 세로홈(4B)과, 양 세로홈(4A, 4B)에 연통되는 적어도 하나의 가로홈(본 예에서는 복수의 가로홈(51, 52, 53))으로 구성되어 있고, 도입측 정류홈(2A)과 배출측 정류홈(2B)을 연통시키고, 쌍극판(21)의 평면 방향으로 정극 전해액을 확산시키는 기능을 갖는다.

본 예에서는, 인접하는 확산홈 유닛(3, 3)은 구성의 일부를 공용하고 있다. 구체적으로는, 지면 좌단의 확산홈 유닛(3)의 도입측 세로홈(4A)(좌측으로부터 2번째의 세로 방향으로 연장되는 홈)은, 지면 좌측으로부터 2번째의 확산홈 유닛(3)의 도입측 세로홈(4A)을 겸하고 있다. 또한, 지면 좌측으로부터 2번째의 확산홈 유닛(3)의 배출측 세로홈(4B)(좌측으로부터 3번째의 세로 방향으로 연장되는 홈)은, 지면 좌측으로부터 3번째의 확산홈 유닛(3)의 배출측 세로홈(4B)을 겸하고 있다. 이와 같이, 복수의 확산홈 유닛(3)에서 일부를 공용하는 구성으로 함으로써, 인접하는 확산홈 유닛(3, 3)이 가로홈(51, 52, 53)을 통해 서로 연통되고, 쌍극판(21)에 형성되는 홈(4A, 4B, 51, 52, 53)이 격자형으로 배치된 상태가 된다. 여기서, 본 예와는 달리, 인접하는 확산홈 유닛(3, 3)이 서로 독립되어 있고, 한쪽의 확산홈 유닛(3)이 다른쪽 확산홈 유닛(3)에 연통되지 않아도 상관없다.

[[세로홈]]

확산홈 유닛(3)에 구비되는 도입측 세로홈(4A)은, 도입측 정류홈(2A)에 연통되고, 배출측 정류홈(2B)을 향해 신장되어 있다. 본 예에서는, 도입측 세로홈(4A)은, 정극 전해액의 유통 방향을 따르는 방향으로 신장되어 있지만, 유통 방향에 대하여 경사져 있어도 상관없다. 또한, 본 예의 도입측 세로홈(4A)은 직선형이지만, 지그재그형이어도 좋고, 사행하고 있어도 좋다. 이 도입측 세로홈(4A)은, 배출측 정류홈(2B)을 향해 신장되어 있지만, 배출측 정류홈(2B)에는 직접 연통되지 않는다.

한편, 배출측 세로홈(4B)은, 배출측 정류홈(2B)에 연통되고, 도입측 정류홈(2A)을 향해 신장되어 있다. 본 예에서는, 배출측 세로홈(4B)은, 정극 전해액의 유통 방향을 따르는 방향으로 신장되어 있지만, 유통 방향에 대하여 경사져 있어도 상관없다. 또한, 본 예의 배출측 세로홈(4B)은 직선형이지만, 지그재그형이어도 좋고, 사행하고 있어도 좋다. 이 배출측 세로홈(4B)은, 도입측 정류홈(2A)을 향해 신장되어 있지만, 도입측 정류홈(2A)에는 직접 연통되지 않는다.

상기 세로홈(4A, 4B)의 폭은, 셀프레임(2)의 크기에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 표준적인 1 kW급의 RF 전지(1)(도 2)이면, 세로홈(4A, 4B)의 폭은 0.5 mm 이상 7.0 mm 이하로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 세로홈(4A, 4B)의 폭은 1.0 mm 이상 2.0 mm 이하로 할 수 있다.

또한, 세로홈(4A, 4B)의 깊이도, 셀프레임(2)의 크기에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 표준적인 1 kW급의 RF 전지(1)(도 2)이면, 세로홈(4A, 4B)의 깊이는 0.5 mm 이상 7.0 mm 이하로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 세로홈(4A, 4B)의 깊이는 1.5 mm 이상 2.0 mm 이하로 할 수 있다. 여기서, 본 명세서에서의 세로홈(4A, 4B)의 깊이란, 쌍극판(21)의 표면으로부터 세로홈(4A, 4B)의 가장 깊은 부분까지의 길이를 말한다.

도입측 세로홈(4A)(배출측 세로홈(4B))의 단부로부터 배출측 정류홈(2B)(도입측 정류홈(2A))까지의 거리, 즉 홈끼리 연결되지 않은 부분의 길이는, 셀프레임(2)의 크기에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 표준적인 1 kW급의 RF 전지(1)(도 2)이면, 상기 거리는 3 mm 이상 30 mm 이하로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 상기 거리는 3 mm 이상 25 mm 이하로 할 수 있다.

세로홈(4A, 4B)의 연신 방향의 단면형상은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 그 단면형상은, 직사각형이어도 좋고, V자형이어도 좋고, 반원형이어도 좋다. 여기서, 양 세로홈(4A, 4B)의 폭, 깊이, 단면형상 등은, 본 예에서는 동일한 것으로 했지만, 상이하게 할 수도 있다.

[[가로홈]]

확산홈 유닛(3)은 또한, 도입측 세로홈(4A)과 배출측 세로홈(4B)에 교차하는 방향으로 신장되는 제1 가로홈(51), 제2 가로홈(52) 및 중간 가로홈(53)을 구비한다. 본 예에서는 3개의 가로홈(51, 52, 53)이 형성되어 있지만, 2개이어도 좋고, 4개 이상이어도 좋다. 복수의 가로홈(51, 52, 53) 중 적어도 하나는, 양 세로홈(4A, 4B)의 양쪽에 연통되고 있을 필요가 있다. 본 예에서는, 모든 가로홈(51, 52, 53)이 양 세로홈(4A, 4B)에 연통되고 있다.

제1 가로홈(51)은, 도입측 세로홈(4A)의 단부로부터 배출측 세로홈(4B)을 향해 신장되어 있다. 본 예에서는, 제1 가로홈(51)은, 정극 전해액의 유통 방향에 직교하는 직교 방향으로 신장되어 있지만, 상기 직교 방향에 교차하는 방향으로 신장되어 있어도 상관없다. 또한, 본 예의 제1 가로홈(51)은 직선형이지만, 지그재그형이어도 좋고, 사행하고 있어도 좋다.

제1 가로홈(51)을 설치함으로써, 도입측 세로홈(4A)의 단부로부터 배출측 정류홈(2B)을 향해 똑바로 빠지는 정극 전해액을 줄이고, 도입측 세로홈(4A)의 단부로부터 셀프레임(2)의 폭방향으로 흐르는 정극 전해액을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 쌍극판(21)에서의 제1 가로홈(51)의 상방측의 부분에 정극 전해액을 골고루 퍼지기 쉽게 할 수 있다.

제2 가로홈(52)은, 배출측 세로홈(4B)의 단부로부터 도입측 세로홈(4A)을 향해 신장되어 있다. 본 예에서는, 제2 가로홈(52)은, 상기 직교 방향에 교차하는 방향으로 신장되어 있지만, 상기 직교 방향에 교차하는 방향으로 신장되어 있어도 상관없다. 또한, 본 예의 제2 가로홈(52)은 직선형이지만, 지그재그형이어도 좋고, 사행하고 있어도 좋다.

제2 가로홈(52)을 설치함으로써, 도입측 정류홈(2A)으로부터 도입측 세로홈(4A)으로 향하는 정극 전해액의 흐름에 더하여, 도입측 정류홈(2A)으로부터 유통 방향을 따라서 제2 가로홈(52)으로 향하는 정극 전해액의 흐름이 형성되기 쉬워진다. 그 결과, 쌍극판(21)에서의 도입측 정류홈(2A)과 제2 가로홈(52) 사이의 부분에 정극 전해액을 골고루 퍼지기 쉽게 할 수 있다.

중간 가로홈(53)은, 제1 가로홈(51)과 제2 가로홈(52) 사이에 형성되어 있다. 본 예의 중간 가로홈(53)은, 양 가로홈(51, 52)과 평행하게 형성된다. 중간 가로홈(53)의 수는 적절하게 선택할 수 있다. 본 예에서는 중간 가로홈(53)은 하나이지만, 복수로 할 수도 있다.

중간 가로홈(53)을 설치함으로써, 제1 가로홈(51)으로부터 유통 방향을 따라서 중간 가로홈(53)으로 향하는 정극 전해액의 흐름과, 중간 가로홈(53)으로부터 유통 방향을 따라서 제2 가로홈(52)으로 향하는 정극 전해액의 흐름을 형성할 수 있다. 상기 가로홈(51, 52, 53)의 폭은, 세로홈(4A, 4B)보다 좁게 하는 것이 바람직하다. 가로홈(51, 52, 53)의 폭을 세로홈(4A, 4B)보다 좁게 함으로써, 정극 전극(104)(도 3)에 거의 접촉하지 않고, 입구 슬릿(123s)으로부터 출구 슬릿(125s)으로 빠지는 정극 전해액의 누설 경로를 억제할 수 있다. 가로홈(51, 52, 53)의 폭은, 구체적으로는, 세로홈(4A, 4B)의 폭의 1/10 이상 1배 미만으로 하는 것이 바람직하다.

가로홈(51, 52, 53)의 깊이는, 세로홈(4A, 4B)과 동일해도 좋고, 세로홈(4A, 4B)보다 깊어도 얕아도 상관없다. 본 예의 가로홈(51, 52, 53)의 깊이는, 세로홈(4A, 4B)보다 얕게 되어 있다. 가로홈(51, 52, 53)의 깊이를 세로홈(4A, 4B)보다 얕게 함으로써, 정극 전해액의 누설 경로를 억제할 수 있고, 또한 쌍극판(21)의 전면에 정극 전해액을 골고루 퍼지게 할 수 있다. 구체적인 가로홈(51, 52, 53)의 깊이는, 세로홈(4A, 4B)의 깊이의 1/10 이상 1배 미만으로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 본 명세서에서의 가로홈(51, 52, 53)의 깊이란, 쌍극판(21)의 표면으로부터 가로홈(51, 52, 53)의 가장 깊은 부분까지의 길이를 말한다.

상기 가로홈(51, 52, 53)의 단면형상은, 세로홈(4A, 4B)과 마찬가지로 특별히 한정되지 않고, 예컨대 직사각형, V자형, 원형으로 하는 것을 들 수 있다. 여기서, 각 가로홈(51, 52, 53)의 폭, 깊이, 단면형상 등은, 본 예에서는 동일한 것으로 했지만, 상이하게 할 수도 있다.

[[기타]]

상기 확산홈 유닛(3)에 더하여, 도입측 세로홈(4A)과 배출측 세로홈(4B) 사이에 배치되고, 양 세로홈(4A, 4B)에 교차하는 방향으로 연장되지만, 양 세로홈(4A, 4B)을 연통시키지 않는 보조홈을 구비하고 있어도 상관없다. 보조홈은 도입측 세로홈(4A)에 연통되지만, 배출측 세로홈(4B)에 비연통으로 되어 있는 홈이어도 좋고, 도입측 세로홈(4A)에 비연통이지만, 배출측 세로홈(4B)에 연통되고 있는 홈이어도 좋고, 양 세로홈(4A, 4B)에 비연통으로 되어 있는 홈이어도 좋다. 또한, 보조홈은, 단수이어도 복수이어도 좋다. 보조홈을 설치함으로써, 정극 전해액의 누설 경로를 억제하면서, 쌍극판(21)의 전면에 정극 전해액을 골고루 퍼지기 쉽게 할 수 있다.

≪효과≫

도 4를 참조하여 설명한 정류홈(2A, 2B)과 확산홈 유닛(3)을 구비하는 셀프레임(2)을 이용함으로써, RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 쌍극판(21)에 복수의 확산홈 유닛(3)을 설치함으로써, 쌍극판(21)에 격자형의 홈이 형성되고, 쌍극판(21)의 전면에 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워지기 때문이다.

또한, 도 4의 셀프레임(2)을 이용함으로써, 전해액의 전지 반응에 따라서 발생하는 가스나, 전해액에 원래 혼입되어 있는 가스가 셀(100)(도 1, 2) 내로부터 빠지기 쉬워진다. 이것은, 확산홈 유닛(3)을 통해 도입측 정류홈(2A)과 배출측 정류홈(2B)이 연통되어 있기 때문이다. 셀(100) 내에 가스가 체류하기 어렵기 때문에, 가스에 의해 전해액과 전극의 접촉 면적이 감소하는 등의 문제를 억제할 수 있다.

≪그 밖의 구성≫

전극(104, 105)(도 3 참조)의 단위 중량을 크게 하면, 전극(104, 105)과 전해액의 접촉 면적이 커져 RF 전지(1)(도 1, 2 참조)의 전지 성능이 향상된다. 그 반면, 전극(104, 105)의 공극이 좁고 복잡해져, 셀(100) 내에 가스가 체류하기 쉬워진다. 이에 비해, 본 예의 RF 전지(1)에서는, 도 4에 나타내는 쌍극판(21)을 채용함으로써, 셀(100) 내의 가스가 빠지기 쉽게 되어 있기 때문에, 전극(104, 105)의 단위 중량을 크게 할 수 있다. 구체적으로는, 예컨대 전극(104, 105)의 단위 중량을 30 g/㎡ 이상으로 할 수 있다. 상기 단위 중량은 50 g/㎡ 이상으로 할 수도 있다. 상기 단위 중량의 상한치는 500 g/㎡로 하는 것을 들 수 있다.

<실시형태 2>

실시형태 2에서는, 프레임체(22)에 정류홈(2A, 2B)을, 쌍극판(21)에 확산홈 유닛(3)을 설치한 셀프레임(2)을 도 5에 기초하여 설명한다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 예의 셀프레임(2)에서는, 프레임체(22)의 내주 가장자리(쌍극판(21)이 끼워지는 관통창에 근접하는 부분) 중, 급액용 매니폴드(123, 124)측의 프레임편에 도입측 정류홈(2A)이 설치되고, 배액용 매니폴드(125, 126)측의 프레임편에 배출측 정류홈(2B)이 설치되어 있다. 도입측 정류홈(2A)은, 급액용 매니폴드(123, 124)의 병렬 방향을 따라서 연장되고, 그 상단측(배액용 매니폴드(125, 126)측)이 관통창에 연결되어 있다. 또한, 배출측 정류홈(2B)은, 배액용 매니폴드(125, 126)의 병렬 방향을 따라서 연장되고, 그 하단측(급액용 매니폴드(123, 124)측)이 관통창에 연결되어 있다.

한편, 쌍극판(21)에는, 셀프레임(2)의 폭방향으로 복수의 확산홈 유닛(3)이 나열되어 있다. 각 확산홈 유닛(3)의 도입측 세로홈(4A)은 도입측 정류홈(2A)에 직접 연결되어 있지만, 배출측 정류홈(2B)에는 직접 연결되어 있지 않다. 또한, 각 확산홈 유닛(3)의 배출측 세로홈(4B)은, 배출측 정류홈(2B)에 직접 연결되어 있지만 도입측 정류홈(2A)에는 직접 연결되어 있지 않다. 또한, 각 확산홈 유닛(3)은, 실시형태 1의 구성과 마찬가지로, 양 세로홈(4A, 4B)에 연통되는 가로홈(51, 52, 53)이 구비되어 있다.

≪효과≫

본 예의 구성에 의해서도, 쌍극판(21)의 전면에 전해액을 골고루 퍼지게 할 수 있고, 또한 전해액 중의 가스가 셀(100)(도 1, 2) 내에 체류하기 어려워지므로, 그 만큼 RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다.

<용도>

실시형태의 셀프레임은, RF 전지 등의 유체 유통형의 축전지의 구축에 적합하게 이용 가능하다. 또한, 실시형태의 셀스택을 구비하는 RF 전지는, 태양광 발전, 풍력 발전 등의 신에너지의 발전에 대하여, 발전 출력의 변동의 안정화, 발전 전력의 잉여시의 축전, 부하 평준화 등을 목적으로 한 축전지로서 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 발전소에 병설되어, 순간 전압 강하ㆍ정전 대책이나 부하 평준화를 목적으로 한 대용량의 축전지로서도 이용할 수 있다.

1 : RF 전지(레독스 플로우 전지) 2 : 셀프레임
21 : 쌍극판 22 : 프레임체
123, 124 : 급액용 매니폴드 125, 126 : 배액용 매니폴드
123s, 124s : 입구 슬릿 125s, 126s : 출구 슬릿
127 : 고리형 시일 부재 2A : 도입측 정류홈
2B : 배출측 정류홈 3 : 확산홈 유닛
4A : 도입측 세로홈 4B : 배출측 세로홈
51 : 제1 가로홈(가로홈) 52 : 제2 가로홈(가로홈)
53 : 중간 가로홈(가로홈) 100 : 셀
101 : 격막 102 : 정극 셀
103 : 부극 셀 100P : 정극용 순환 기구
100N : 부극용 순환 기구 104 : 정극 전극
105 : 부극 전극 106 : 정극 전해액용 탱크
107 : 부극 전해액용 탱크 108, 109, 110, 111 : 도관
112, 113 : 펌프 200 : 셀스택
190 : 급배판 200s : 서브스택
210, 220 : 엔드 플레이트 230 : 체결 기구

Claims

셀프레임에 있어서,
레독스 플로우 전지의 정극 전극과 부극 전극 사이에 배치되는 쌍극판과, 상기 쌍극판을 외주측으로부터 지지하는 프레임체를 포함하고,
상기 프레임체는, 상기 쌍극판에 전해액을 도입하는 입구 슬릿과, 상기 쌍극판으로부터 상기 전해액을 배출하는 출구 슬릿을 갖는 것인 셀프레임으로서,
상기 입구 슬릿에 연결되고, 상기 셀프레임의 폭방향으로 연장되는 도입측 정류홈과,
상기 출구 슬릿에 연결되고, 상기 폭방향으로 연장되는 배출측 정류홈과,
상기 도입측 정류홈과 상기 배출측 정류홈을 연통시키는 확산홈 유닛을 포함하고,
상기 확산홈 유닛은,
상기 도입측 정류홈으로부터 분기되어 상기 배출측 정류홈을 향해 신장되고, 상기 배출측 정류홈에 직접 연통되지 않는 도입측 세로홈과,
상기 배출측 정류홈으로부터 분기되어 상기 도입측 정류홈을 향해 연장되고, 상기 도입측 정류홈에 직접 연통되지 않는 배출측 세로홈과,
상기 도입측 세로홈과 상기 배출측 세로홈에 연통되는 하나 이상의 가로홈을 포함하는 것인 셀프레임.
제1항에 있어서, 상기 복수의 가로홈은,
상기 도입측 세로홈의 단부로부터 상기 배출측 세로홈을 향해 신장되는 제1 가로홈과,
상기 배출측 세로홈의 단부로부터 상기 도입측 세로홈을 향해 신장되는 제2 가로홈을 포함하는 것인 셀프레임.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가로홈의 폭은, 상기 도입측 세로홈의 폭 및 상기 배출측 세로홈의 폭보다 좁은 것인 셀프레임.
제3항에 있어서, 상기 가로홈의 폭은, 상기 도입측 세로홈의 폭 및 상기 배출측 세로홈의 폭의 1/10 이상 1배 미만인 것인 셀프레임.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가로홈의 깊이는, 상기 도입측 세로홈 및 상기 배출측 세로홈의 깊이보다 얕은 것인 셀프레임.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확산홈 유닛이 상기 셀프레임의 폭방향으로 복수개 나열되고,
인접하는 상기 확산홈 유닛 사이에서 상기 도입측 세로홈 또는 상기 배출측 세로홈을 공용하는 것인 셀프레임.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도입측 정류홈, 상기 배출측 정류홈, 및 상기 확산홈 유닛이 상기 쌍극판에 설치되는 것인 셀프레임.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도입측 정류홈 및 상기 배출측 정류홈이 상기 프레임체에 설치되고,
상기 확산홈 유닛은 상기 쌍극판에 설치되는 것인 셀프레임.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 셀프레임을 포함하는 셀스택.
제9항에 기재된 셀스택을 포함하는 레독스 플로우 전지.