KR20200055311A - 후면 유로를 포함하는 매니폴드 및 레독스 흐름 전지 - Google Patents

후면 유로를 포함하는 매니폴드 및 레독스 흐름 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온교환막과 매니폴드 사이에서 발생할 수 있는 전해액의 누수를 방지할 수 있도록 레독스 흐름 전지 내 매니폴드에 위치한 후면 유로에 관한 것으로, 바이폴라 플레이트가 밀착되는 매니폴드의 일면에 유로를 형성하여 매니폴드 중앙에 형성된 개구부로 전해액을 흘려주는 역할을 하며, 이온교환막과 밀착되는 매니폴드의 일면은 어떠한 부품 및 가공도 하지않은 상태로 이온교환막과 밀착되어 누수를 방지하는 면을 최대면적으로 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 후면유로를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.

Description

후면 유로를 포함하는 매니폴드 및 레독스 흐름 전지{Manifold with back side flow path and Redox flow battery}
본 발명은 후면 유로를 포함하는 레독스 흐름 전지 매니폴드 및 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 매니폴드 후면에 유로를 위치하여 스택의 내구도 및 균일한 전해액의 분배를 위한 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
대용량 전력저장산업으로써 전력인프라 사업은 국가를 지탱하는 최상위산업 중의 하나이며 기간산업으로서의 공공성이 중요하다. 대용량 전력저장산업은 현재 개척해 나가야 하는 미래형 산업으로써 적용될 수 있는 분야로 가정용 전력저장 시스템, 산업용/상업용 중형 전력저장 시스템, 발전소 및 변전소에 설치되는 초대용량의 전력저장 시스템 등이 있으며 향후에는 풍력 발전, 태양광 발전 등과 같은 신재생 에너지 분야로의 확대가 예상된다.
특히, 신재생 에너지의 주파수 변동에 따른 전력품질의 저하로 인하여 현재의 풍력 발전과 태양광 발전에서 발생하는 전력을 계통전력에 직접 연계할 경우 고품위의 전력을 요구 하는 산업 시설이나 대규모 단지에서는 엄청난 피해가 예상되기 때문에 이를 보상해주기 위한 레독스 플로우 배터리와 같은 대형 전력저장시스템의 필요성이 부각되는 것이 현실이다.
전기화학시스템 중에서 레독스 흐름 전지는 가장 최신 기술이며, 고정형 에너지저장 중가장 유망하다고 할 수 있으며, 유체형태 내 용액 중에서 화학종의 산화환원을 수행하며, 외부탱크에 저장되고 필요할 때 레독스 흐름 전지로 도입시키는 방식으로 작동한다.
이 기술의 특징은 대형화와 유연성으로 넓은 범위의 구동전력 및 방전 시간을 얻을 수 있어 재생에너지로부터 생산된 전력을 보조하는데 매우 이상적이다. 이러한 장점 때문에 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 레독스 흐름 전지는 도 1에 도식화된 바와 같이 양극셀, 음극셀, 이온교환막으로 이루어져 있으며, 이를 구동시키기 위해서는 양극셀에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 펌프, 양극 전해액 탱크와 음극셀에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 펌프, 음극전해액 탱크로 시스템이 구성된다. 양극셀과 음극셀이 1개가 적층되어 구동되는 레독스 흐름 전지는 셀(cell)로 불리우며, 1개이상이 적층되어 복수의 셀이 합쳐진 구조를 스텍(stack)이라고 칭한다. 양극셀과 음극셀은 거울상 대칭구조를 이루며 통상적으로 다공성 탄소섬유, 바이폴라 플레이트 및 유로를 포함하는 매니폴드로 구성되어 있다.
흐름전지는 분리막에 양극 전해액과 음극 전해액이 닿는 면적에 비례하여 발전 능력이 변동된다. 또한 분리막에 양극 전해액과 음극 전해액이 고르게 퍼져서 일정한 유속으로 흐름이 지속되지 않는 경우, 불균질한 전기적 특성에 의하여 레독스 흐름 전지 내 삽입되어 있는 소재의 내구성 및 전기적 특성이 감소하게 되어 전지 효율을 저하시키게 된다.
따라서, 레독스 흐름 전지는 전해액의 균등한 유속과 고른 퍼짐성에 의하여 스택의 성능과 수명이 좌우된다는 점을 알 수 있으며, 이러한 유체 특성을 개선하기 위해 소재를 통한 특성 개선 및 스택 구조와 펌프의 성능개선을 통한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 본 발명은 레독스 흐름 전지 내부 구조 중 매니폴드의 유로 개선을 통해 그 방안을 도출하였다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로서 전해액을 전해액과 분리막의 반응면적 전체에 균일한 유속으로 주입하여 유체 특성을 개선함으로써 레독스 흐름 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 매니폴드 구조를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 어급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 후면 유로 구조를 갖은 레독스 흐름 전지 용 매니폴드는, 매니폴드 후면에 형성된 것으로, 매니폴드 에 형성된 후면 유로를 통하여 매니폴드를 통과한 전해액이 반응면적 전체에 균등하게 분배되는 것이다. 이는 분리막 반응면적에 접촉하여 있는 다공성 전극판과 집전체와 접촉하고 있는 바이폴라 플레이트로 이루어진 공간을 반응면적이라고 정하여, 정한 부분의 전해액의 균등 분배를 위해 다공성 전극판과 접한 매니폴드 부분부터 전해액이 스택 내부로 유입되는 유입공간까지의 전해액의 흐름경로중 매니폴드 후면에 생성된 유로 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 매니폴드를 제공한다.
구체적으로, 상기 후면 유로가 형성된 매니폴드는 일측부가 공급 유로 또는 배출 유로와 연결되고, 다공성 전극판과 접해있는 부분은 매니폴드의 후면측에 위치하며 이로인해 매니폴드 후면으로 유입되는 전해액은 전극판에 직접적으로 접촉하게 되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 후면 유로가 형성된 매니폴드는, 상기 이온교환막과 밀착되는 면에 위치하는 구조는 전해액 토출구과 전지 밀착과 고정을 위한 고정 나사만 위치하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 후면 유로가 형성된 매니폴드는, 유로가 형성된 매니폴드에 전해액 공급 및 배출을 위한 유로를 형성하되, 유로의 종단부는 전해액의 흐름을 저항시킬 수 있는 구조를 배치하여 전해액의 흐름 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
배면 유로를 적용한 레독스 흐름 전지의 경우 분리막면에 위치한 덮개 및 구조물이 없기 때문에 분리막에 가해질 수 있는 비정상적인 압력 및 응력이 최소화 되기 때문에 분리막의 변형이 최소화된다. 분리막의 내구도가 확보되면 레독스 흐름 전지의 내구성에 대한 불확실 요소가 최소화되어 내구성에 대한 데이터적인 보증이 가능하게 된다. 결과적으로 레독스 흐름 전지의 스택 내부 부재들이 전해액의 누수로 인해 산화 및 손상되는 것을 방지함으로써 스택의 내구성과 충방전 성능을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단면도이다.
도 2는 도1에 도시된 매니폴드의 앞면과 뒷면을 나타낸 도면이다.
도 3는 도시된 후면 유로를 포함하는 매니폴드와 전극판의 조립도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 단면도로서, 본 발명의 일실시예인 후면 유로를 포함하는 레독스 흐름 전지(100)은, 이온교환막(160)을 사이에 두고 양쪽에 위치하는 매니폴드(150)와 매니폴드(150)의 양후면에 위치하는 복수개의 전극판(140)을 포함한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 레독스 흐름 전지는 활물질로 이용되는 레독스쌍으로서 바나듐 이온을 이용하는 바나듐 레독스 흐름 전지 일 수 있으나, 그 외에도 다양한 종류의 활물질이 사용될 수 있음은 물론이다.
또한, 위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 레독스 흐름 전지는 하나의 단위 전지 셀을 예시한 것으로 하나의 스텍을 구성하는 단위 전지 셀의 개수는 얼마든지 증감이 가능하다.
도 1을 참조한 바와 같이, 도면의 왼쪽 끝 부분에는 엔드 플레이트(110)가 위치하고 엔트 플레이트에는 집전판(120)이 위치한다. 그리고 오른쪽으로 가면서 전극판(140), 매니폴드(150), 이온교환막(160), 매니폴드(150), 전극판(140) 로 구성된 단위 전지 셀이 반복되며, 도면의 오른쪽 끝 부분에는 엔드 플레이트(110)가 위치하며 레독스 흐름 전지의 스택 구성이 마무리 된다.
이러한 구성에서 양단부에 위치한 엔드 플레이트(110)에는 하부와 상부에 각각 전해액 유입구와 전해액 배출구가 관통되어 형성된다(도면미도시).일단의 하부에 위치한 전해액 유입구를 통해 양극 전해액을 주입하면 매니폴드(150)에 형성된 유로를 따라 이동한 다음 양극용 전극판(140)을 통과한 후 타단의 상부에 위치한 전해액 배출구로 배출되도록 하며, 같은 방식으로 타단의 하루에 위치한 전해액 유입구를 통해 음극 전해액을 주입하면 매니폴드(150)에 형성된 유로를 따라 이동한 다음 음극용 전극판(140)을 통과한 후 일단의 상부에 위치한 전해액 배출구로 배출되도록 한다.
또한 본 발명에 따른 후면 유로를 포함하는 레독스 흐름 전지는 도면에 도시하지는 않았으나, 양극 전해액 및 음극 전해액을 저장하는 탱크와 상기 전해액을 순환시키기 위한 펌르를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전해액 역시 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 이러한 구성들은 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
엔드 플레이트(110)는 절연체를 사용하여 형성될 수 있는데, 그 예로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 또는 염화비닐, 베이크라이트 등의 고분자를 사용하여 형성될 수 있으며, 복수개의 단위 전지 셀을 적층하여 스택으로 제작시 압축력에 대한 강도가 필요하기 때문에 상기 고분자 엔드 플레이트(110) 위에 보다 강한 강도를 지닌 금속 및 타물성의 차가 엔드 플레이트(110)를 사용하여 형성될 수 있다.
집전판(120)은 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전시 외부로 전자를 내어주는 역할을 하는데, 그 재질에 있어서는 구리 또는 황동과 같이 당 분야에서 통상적으로 사용할 수 있는 재질을 사용할 수 있으며, 위의 재료에 한정되지 않는다.
집전판(120)은 본 발병의 일실시예에서, 스택 양단부의 엔드 플레이트(110)에 일면이 밀착되어 배치되고 반대편 일면은 상기 전극판(140) 각각의 외측에 밀착되어 배치되므로 한 쌍의 집전판(120)이 필요하게 된다. 이때 각각의 집전판(120)은 서로 극성을 달리한다.
이온교환막(160)은 양극 전해액과 음극 전해액의 혼합을 방지하고 이온 전도체 역할을 하는 이온교환막(160)으로서, 불소계 및 탄화 수소계 이온교환막(160) 등으로 형성될 수 있다. 즉, 충전 또는 방전시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다.
전극판(140)은 이온교환막(160)을 사이에 두고 양쪽에 위치하는데, 다공성 탄소재료와 같이 전해액이 흡수되지 않는 도전성 물질인 카본펠트, 카본크로스와 같은 재료가 사용될 수 있으며, 위와 같이 당 분야에서 통상적으로 사용될 수 있는 물질이 사용될 수 있으며 예를 든 위의 물질로 한정되지 않는다.
전극판(140)은 양극 및 음극 전해액에 전자를 주고 받는 역할을 제공하는 것으로 이를 위해서 이온교환막(160)의 일측에 위치하는 전극판(140)은 양극용으로 사용되고 타측에 위치한 전극판(140)은 음극용으로 사용되므로 하나의 단위 젤전 셀에서는 한쌍의 전극판(140)이 필요하며, 전극판(140)이 삽입되고 맞닿은 매니폴드(150) 종단면에는 양극 전해액 또는 음극 전해액이 이동하기 위한 통로인 유로가 형성된다.
바이폴라 플레이트(130)는 하나의 단위 전지 셀을 기준으로 한쌍의 전극판(140) 각각의 외측에 위치하므로 하나의 단위 전지 셀에는 두개의 바이폴라 플레이트(130)가 필요하다. 이러한 바이폴라 플레이트(130)는 단위 전지 셀에서는 양극 전극과 음극 전극으로 분리하여 사용되며, 복수개의 바이폴라 플레이트(130)를 사용하는 스택의 경우 스택 내의 단위 전지 셀의 면은 음극과 양극을 동시에 사용된다.
바이폴라 플레이트(130)는 그 재질에 있어 당 분야에서 통상저긍로 사용되는 도전성 플레이트를 사용할 수 있다. 그 예로서 바이폴라 플레이트(130)는 도전성 그라파이트 플레이트를 사용할 수 있는데, 그라파이트 플레이트는 페놀 수지에 함침처리된 그라파이트 플레이트, 합성카본플레이트 등이 사용될 수 있다.
매니폴드(150)는 이온교환막(160)과 전극판(140)으로 이루어진 활성면적을 제공하기 위하여 중앙에 개구부를 형성하여 상기 전극판(140)과 이온교환막(160), 매니폴드(150)로 이루어진 공간을 형성하며 위치하는데, 이러한 개구부의 종단면에는 상술한 바와 같이 매니폴드(150)에 형성된 유로가 연결되어서 삽입된 전극판(140)에 전해액이 흐를 수 있도록 한다.
매니폴드(150)는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 플라스틱 소재로 형성될 수 있다.매니폴드(150)에 대한 소재는 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 매니폴드(150)의 앞면과 뒷면, 측면을 나타낸 것으로, 해당 매니폴드(150)은 바이폴라 플레이트(130)와 접하고 있는 일면에 전해액 공급 및 배출을 위한 유로를 형성하되, 상기 유로의 종단부는 관통 형성된 유입유로통공 및 배출유로 통공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
먼저, 매니폴드(150)은, 상술한 바와 같이 중앙 부분에 전극판(140)이 삽입될 수 있도록 전극판(140)의 크기 및 모양에 일치하는 개구부를 형성하고 있다. 이와 같이 전극판(140)은 중앙의 개구부에 삽입되며 전체적으로 보면 매니폴드(150)는 전극판(140) 가장자리를 둘러싸는 형태를 지니게 된다.
유로는 매니폴드(150)의 일면에 형성되는데, 매니폴드(150)의 외측 에 연장되어 있는 유입유로통공에서 전해액이 유입되면 전해액을 중앙의 개구부에 삽입된 전극판(140)에 흘려주기 위해서 전극판(140)과 맞닿는 개구부측까지 유로가 연결되어 있으며, 개구부로 유입된 전해액은 전극판(140) 내부 기공을 통하여 유입된 방향과 반대편 유로로 연결되어 배출유로통공으로 배출되게 된다.
도 3은 도1에 도시된 후면 유로의 사시도이다. 후면 유로는 상술한 바와 같이 유로가 형성된 매니폴드(150)의 일면에 생성되고 반대편에는 이온교환막(160)이 밀착된다. 이온교환막(160)이 밀착되는 매니폴드(150)의 일면은 그동안 합성고무소재 및 테프론 등 소재를 사용하여 개스킷을 사용하여 이온교환막(160)과 매니폴드(150) 사이의 누수를 막았지만, 후면유로를 이용한 매니폴드(150)의 경우 이온교환막(160)과 밀착되는 면에 이온교환막(160)과의 밀착을 방지하는 어떠한 부품도 없기 때문에 이온 분리막을 고정할 수 있는 최대한의 면적으로 누설을 방지할 수 있다. 필요에 따라서 이온교환막(160)과 매니폴드(150) 사이에 접착제, 접착테이프 등을 사용할 수 있으나, 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 후면 유로를 포함하는 레독스 흐름 전지는, 레독스 흐름 전지의 스택 내에 위치한 매니폴드를 개선함으로써 개스킷을 사용하지 않아도 이온교환막과 매니폴드 사이에 발생할 수 있는 전해액의 누수를 방지할 수 있는 효과가 있다. 결과적으로 전해액의 누수로 인한 레독스 흐름 전지 의 이상 작동 및 내부 부재들의 산화 및 손상되는 것을 방지함으로써 스택의 내구성과 충방전 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 후면 유로를 포함하는 매니폴드 및 레독스 흐름 전지는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수 도 있다.
100: 레독스 흐름 전지 110: 엔드 플레이트
120: 집전판 130: 바이폴라 플레이트
140: 전극판 150: 매니폴드
160: 이온교환막

Claims (5)

  1. 매니폴드(150) 일면에 전해액 공급 및 배출을 위한 단일 유로를 형성하되,이온교환막(160)과 밀착되는 면의 반대측에 형성하고 상기 유로의 중단부에 전해액의 흐름을 제어할 수 있는 유량 가림막을 위치하는 것을 특징으로 하는 후면 유로를 포함하는 매니폴드(150) 및 레독스 흐름 전지.
  2. 청구항 1에 있어 후면 유로는 집전판(120)과 결합되는 면에 위치하되, 전해액의 흐름 제어를 위해 매니폴드(150)에 구성된 개구부 상단과 하단에 거울상으로 배치하는 것을 특징으로 하는 후면 유로를 포함하는 매니폴드(150) 및 레독스 흐름 전지.
  3. 청구항 2에 있어 후면 유로와 집전판(120) 사이에 집전판(120)을 보호하기 위한 덮개를 위치할 수 도 있으며, 덮개를 설치할 시 집전판(120)의 크기와 모양은 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 후면 유로를 포함하는 매니폴드(150) 및 레독스 흐름 전지.
  4. 청구항 2에 있어 본 발명에서 사용된 유로는 매니폴드(150)에 구성된 개구부의 상단과 하단에 하나씩 배치되는 구조이지만, 복수개의 유로 및 가지 형식으로 쪼개지는 유로 등 다양한 유로가 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 후면 유로를 포함하는 매니폴드(150) 및 레독스 흐름 전지.
  5. 이온교환막(160)과 밀착되는 매니폴드(150)의 일면에는 엔드 플레이트(110)에서 연결되는 전해액 유입구와 배출구, 고정을 위한 고정핀 홀 외에는 어떠한 부속품도 없는 것을 특징으로 하는 후면 유로를 포함하는 매니폴드(150) 및 레독스 흐름 전지.
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