KR20200124398A - Zn-Fe Redox flow battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 맞물림형 유로가 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a zinc-iron redox flow battery comprising a bipolar plate having an interlocking flow path.
최근 신재생 에너지의 비중이 확대되면서 전력 생산의 변동성과 수급시점의 불일치 문제를 극복할 수 있는 새로운 대안으로 전력 저장장치가 주목을 받고 있어 전력 저장장치의 활발한 연구가 진행되고 있다. 전력 저장장치는 발전량이 많을 때는 전기를 충전하고, 소비량이 많을 때는 전기를 방전함으로써 수요와 공급의 격차를 효율적으로 줄일 수 있으며 짧은 시간 내 신재생 에너지의 발전량 변동에 대응할 수 있는 가장 안전한 방법이다.As the proportion of new and renewable energy has recently increased, power storage devices are attracting attention as a new alternative that can overcome the problem of fluctuations in power production and inconsistency between supply and demand, and active research on power storage devices is underway. The power storage device can efficiently reduce the gap between supply and demand by charging electricity when there is a lot of power generation and discharging electricity when there is a lot of consumption, and is the safest way to respond to fluctuations in the generation amount of renewable energy within a short time.
또한, 신재생 에너지 비중이 급격히 증가할 경우, 전 세계적으로 전력 생산의 변동성이 적지 않은 규모에 이를 것으로 예상된다. 이에 최근 IEA(International Energy Agency)는 미래 신재생 에너지 보급을 위해 전력 저장장치에 주목하고 있다. 따라서 장기적인 관점에서 전력 저장장치의 보급은 신재생 에너지 확대를 위한 필수 불가결한 요소가 될 수밖에 없는 상황이다.In addition, if the proportion of new and renewable energy increases rapidly, it is expected that the volatility of electricity production worldwide will reach a considerable scale. Accordingly, the International Energy Agency (IEA) is paying attention to power storage devices to supply new and renewable energy in the future. Therefore, from a long-term perspective, the spread of power storage devices is inevitably an indispensable factor for expanding renewable energy.
대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축전지, NaS 전지 및 레독스 흐름 전지(redox flow battery, RFB) 등이 있다. 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지 보수의 비용과 전지 교체시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃ 이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 이에 비해, 레독스 흐름 전지는 유지 보수비용이 적고 상온에서 작동 가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 2차 전지로 많은 연구가 진행되고 있다.Secondary batteries for large-capacity power storage include lead-acid batteries, NaS batteries, and redox flow batteries (RFB). Lead-acid batteries are widely used commercially compared to other batteries, but have disadvantages such as low efficiency, maintenance costs due to periodic replacement, and problems in the treatment of industrial waste generated when batteries are replaced. In the case of NaS battery, it is advantageous to have high energy efficiency, but there is a disadvantage of operating at a high temperature of 300℃ or higher. In contrast, a redox flow battery has a low maintenance cost, can operate at room temperature, and can independently design capacity and output, and thus, many studies have been conducted on a large-capacity secondary battery.
레독스 흐름 전지는 산화수가 다른 레독스 커플로 된 활물질을 용매에 녹여 제조된 전해액을 포함하여 이루어진다. 레독스 커플을 포함하는 양극 전해액과 음극 전해액으로 구성된 레독스 흐름 전지를 충전시키면 양극에서는 산화반응이 일어나고, 음극에서는 환원반응이 일어나며, 전지의 기전력은 양극 전해액과 음극 전해액에 포함된 활물질인 레독스 커플의 표준 전극전위의 차이에 의해서 결정된다. 이러한 레독스 커플은 산화/환원의 차이에 의해 여러 가지 조합을 얻을 수 있는데, V(3+/2+)/V(4+/5+), Fe(2+/3+)/Cr(3+/2+) 시스템 등이 연구되어 적용되었다. 현재는 양극액과 음극액 모두 바나듐을 이용하는 올 바나듐(all vanadium) 레독스 흐름 전지가 주류를 이루고 있다. 그러나 고농도의 바나듐 전해액은 안정성이 낮고, 가격이 높아 새로운 전해액의 개발이 요구되고 있으며, 부식성이 강한 황산 용액 대신 염기성 용액에서 이용 가능한 활물질에 대한 개발이 필요한 상황이다.The redox flow battery includes an electrolyte prepared by dissolving an active material composed of a redox couple with different oxidation numbers in a solvent. When a redox flow battery consisting of a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte containing a redox couple is charged, an oxidation reaction occurs at the positive electrode, a reduction reaction occurs at the negative electrode, and the electromotive force of the battery is redox, an active material contained in the positive electrode electrolyte and negative electrode electrolyte. It is determined by the difference in the standard electrode potential of the couple. These redox couples can obtain various combinations by the difference in oxidation/reduction, V (3+/2+) /V (4+/5+) , Fe (2+/3+) /Cr (3 +/2+) systems have been studied and applied. Currently, all vanadium redox flow batteries using vanadium for both anolyte and catholyte are dominant. However, the high-concentration vanadium electrolyte has low stability and high cost, so the development of a new electrolyte is required, and the development of an active material usable in a basic solution instead of a highly corrosive sulfuric acid solution is required.
아연-철(Zn/Fe) 레독스 흐름 전지는 양극 활물질로 [Fe(CN)6]3-/4-, 음극 활물질로 Zn/[Zn(OH)4]2-가 사용되는 것으로, 가격 및 독성이 낮아 레독스 흐름 전지의 활물질로 사용하기 적합한 장점을 지니고 있다. 또한, 수계 강염기 용액에서 높은 방전 전압을 가지고 있어 바나듐을 대체하기 위한 활물질로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정 동안 음극에서 아연의 석출 및 용해로 인하여 전지의 용량이 감소하고, 사이클 특성이 저하되는 문제로 인하여 아연을 활물질로 적용하기에는 어려움이 따른다. 따라서, 이를 해결할 수 있는 방안이 필요한 상황이다.The zinc-iron (Zn/Fe) redox flow battery uses [Fe(CN) 6 ] 3-/4- as the positive electrode active material and Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- as the negative electrode active material. Due to its low toxicity, it has the advantage of being suitable for use as an active material for redox flow batteries. In addition, since it has a high discharge voltage in an aqueous strong base solution, it is attracting attention as an active material to replace vanadium. However, it is difficult to apply zinc as an active material due to a problem in that the capacity of the battery decreases due to precipitation and dissolution of zinc in the negative electrode during the charging and discharging process, and the cycle characteristics are deteriorated. Therefore, there is a need for a way to solve this problem.
상술한 바와 같이, 아연-철 레독스 흐름 전지는 가격 및 독성이 낮으며, 높은 방전 전압을 나타내 레독스 흐름 전지로의 사용이 적합하나, 충·방전 과정 동안 음극에서 아연의 석출 및 용해로 인하여 전지의 용량이 감소하고, 사이클 특성이 저하되는 문제가 있다. 이에 본 발명자들은 아연-철 레독스 흐름 전지의 전압 효율 및 사이클 특성 향상을 위해 전해액의 물질 전달(mass transport)을 향상시킬 수 있는 아연-철 레독스 흐름 전지를 제공하고자 하였다.As described above, the zinc-iron redox flow battery has low cost and toxicity, and exhibits a high discharge voltage, making it suitable for use as a redox flow battery, but due to the precipitation and dissolution of zinc in the negative electrode during the charging and discharging process, the battery There is a problem that the capacity of is reduced and the cycle characteristics are deteriorated. Accordingly, the present inventors have attempted to provide a zinc-iron redox flow battery capable of improving mass transport of an electrolyte in order to improve voltage efficiency and cycle characteristics of a zinc-iron redox flow battery.
따라서, 본 발명은 전압 효율 및 사이클 특성이 우수한 아연-철 레독스 흐름 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a zinc-iron redox flow battery having excellent voltage efficiency and cycle characteristics.
상기 목적을 달성하기 위하여,To achieve the above object,
본 발명은 분리막;The present invention is a separator;
상기 분리막의 양측에 각각 배치된 전극;Electrodes disposed on both sides of the separator;
상기 전극의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트;Bipolar plates respectively disposed on one side of the electrode;
양극 전해액; 및Positive electrode electrolyte; And
음극 전해액;을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지로,A zinc-iron redox flow battery comprising a cathode electrolyte,
상기 바이폴라 플레이트는 맞물림형 패턴의 유로를 포함하며,The bipolar plate includes a flow path of an interlocking pattern,
상기 양극 전해액은 [Fe(CN)6]3-/4- 및 염기성 수용액을 포함하며,The positive electrode electrolyte includes [Fe(CN) 6 ] 3-/4- and a basic aqueous solution,
상기 음극 전해액은 Zn/[Zn(OH)4]2- 및 염기성 수용액을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지를 제공한다.The negative electrode electrolyte provides a zinc-iron redox flow battery comprising Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- and a basic aqueous solution.
본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 전해액의 물질 전달 능력이 우수하여 전압 효율 및 사이클 특성이 우수한 효과를 지니고 있다.The zinc-iron redox flow battery of the present invention has excellent material transfer ability of an electrolyte and thus has excellent voltage efficiency and cycle characteristics.
또한, 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 높은 전류밀도에서도 충·방전 효율이 우수하고, 향상된 사이클 특성을 나타낼 수 있다.In addition, the zinc-iron redox flow battery of the present invention has excellent charging/discharging efficiency even at a high current density, and may exhibit improved cycle characteristics.
도 1은 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 단위 스택을 보여주는 입체 사시도이다.
도 3은 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지의 충·방전 과정을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바이폴라 플레이트를 나타낸 정면도이다.
도 5는 본 발명의 바이폴라 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 6은 전류밀도 50mA/cm2 및 유량 1mL/cm2·min에서 실시예 1 및 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 7은 전류밀도 100mA/cm2 및 유량 1mL/cm2·min에서 실시예 1 및 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지를 전류밀도 50mA/cm2 및 유량 4mL/cm2·min에서 100 사이클 진행 후, 전류밀도 100mA/cm2 및 유량 4mL/cm2·min에서 100 사이클 진행하여 얻은 사이클 특성 그래프이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 바이폴라 플레이트의 맞물림형 패턴의 유로 형성 여부에 따른 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.
도 10은 실시예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 유량 및 전류밀도에 따른 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 11은 실시예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 50mA/cm2의 전류밀도에서 유량에 따른 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.
도 12는 실시예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 100mA/cm2의 전류밀도에서 유량에 따른 전압 프로파일을 측정한 그래프이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a zinc-iron redox flow battery of the present invention.
2 is a three-dimensional perspective view showing a unit stack of the present invention.
3 is a schematic diagram showing a charging and discharging process of the zinc-iron redox flow battery of the present invention.
4 is a front view showing the bipolar plate of the present invention.
5 is a perspective view showing a bipolar plate of the present invention.
6 is a graph measuring cycle characteristics of the zinc-iron redox flow batteries of Example 1 and Comparative Example 1 at a current density of 50 mA/cm 2 and a flow rate of 1 mL/cm 2 ·min.
7 is a graph measuring cycle characteristics of the zinc-iron redox flow batteries of Example 1 and Comparative Example 1 at a current density of 100 mA/cm 2 and a flow rate of 1 mL/cm 2 ·min.
8 is a zinc-iron redox flow battery of Example 1 and Comparative Example 1, after 100 cycles at a current density of 50 mA/cm 2 and a flow rate of 4 mL/cm 2 ·min, a current density of 100 mA/cm 2 and a flow rate of 4 mL/cm This is a graph of cycle characteristics obtained by running 100 cycles at 2 min.
9 is a graph measuring a voltage profile according to whether or not a flow path of an interlocking pattern of a bipolar plate of the zinc-iron redox flow batteries of Example 1 and Comparative Example 1 is formed.
10 is a graph measuring cycle characteristics according to the flow rate and current density of the zinc-iron redox flow battery of Example 1. FIG.
11 is a graph measuring a voltage profile according to a flow rate at a current density of 50 mA/cm 2 of the zinc-iron redox flow battery of Example 1. FIG.
12 is a graph measuring a voltage profile according to a flow rate at a current density of 100 mA/cm 2 of the zinc-iron redox flow battery of Example 1. FIG.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.In the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are used for similar parts throughout the specification. In addition, the size and relative size of the components indicated in the drawings are not related to the actual scale, and may be reduced or exaggerated for clarity of description.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the drawings, the thickness of layers and regions may be exaggerated or omitted for clarity. The same reference numbers throughout the specification denote the same elements.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 아연-철 레독스 흐름 전지를 보여주는 개략도이고, 도 2는 단위 스택을 보여주는 입체 사시도이다.1 is a schematic diagram showing a zinc-iron redox flow battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a three-dimensional perspective view showing a unit stack.
도 1을 참조하면, 아연-철 레독스 흐름 전지(1000)는 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈(101, 102, 103, 104)을 서로의 측면에 채비하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈(100); 상기 전지 모듈(100)에 양극 전해액을 공급하고 상기 전지 모듈(100)에서 유출되는 양극 전해액을 저장하기 위한 양극 전해액 탱크(202); 상기 전지 모듈(100)에 음극 전해액을 공급하고 상기 전지 모듈(100)에서 유출되는 음극 전해액을 저장하기 위한 음극 전해액 탱크(204); 상기 전지 모듈(100)과 양극 전해액 탱크(202) 간 양극 전해액을 순환시키기 위한 양극 전해액 펌프(302); 및 상기 전지 모듈(100)과 음극 전해액 탱크(204) 간 음극 전해액을 순환시키기 위한 음극 전해액 펌프(304)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the zinc-iron
이 때 단위 스택은 단위 셀(130)을 복수로 적층하여 형성된다. 편의상, 도 2에서는 하나의 단위 셀(130)을 적층하여 형성된 단위 스택을 예시한다.In this case, the unit stack is formed by stacking a plurality of
도 2를 참조하면, 단위 셀(130)은 중앙에 분리막(123)이 배치되고, 이의 양측에 좌우 대칭 구조로 전극(120, 121) 및 바이폴라 플레이트(118, 119)가 각각 대칭하여 배치된다.Referring to FIG. 2, a
상기 단위 셀(130)은 1개 또는 그 이상의 복수 개로 적층된 구조를 가지며, 상기 바이폴라 플레이트(118, 119)와 접하도록 집전 플레이트(115, 117) 및 엔드 플레이트(111, 113)가 적층된다.The
상기 엔드 플레이트(111, 113)의 일측을 천공한 후 관통홀을 통해 연결부재(예, 볼트/너트)를 이용하여 서로 접합하여 단위 셀(130)을 구비하고, 이 단위 셀(130)을 복수 개로 배치한 후 전기적 연결을 통해 단위 스택을 형성한다.One side of the
상기 분리막(123), 전극(120, 121), 바이폴라 플레이트(118, 119), 집전 플레이트(115, 117) 및 엔드 플레이트(111, 113) 사이에는 전해액의 흐름이나 결합을 위해 스페이서(미도시)를 각각 개재할 수 있으며, 일례로 분리막(123)과 전극(120, 121) 사이에 배치하는 것이 바람직하다.A spacer (not shown) between the
상기 분리막(123)은 전극(120, 121)의 사이에 배치되고, 분리막과 바이폴라 플레이트 사이에 배치된 전극의 테두리에는 전극의 두께를 보정하고 전해액의 누수를 방지하기 위한 가스켓이 배치된다. 따라서, 단위 셀(130)은 바이폴라 플레이트(118)/전극(120) 및 전극(120)의 테두리에 위치한 가스켓/분리막(123)/전극(121) 및 전극(121)의 테두리에 위치한 가스켓/바이폴라 플레이트(119) 순으로 배치된 것일 수 있다.The
복수 개의 단위 셀(130)이 도 1과 같이 직렬로 연결되거나 병렬로 연결된 구조를 가지며, 전해액의 순환으로 전류를 발생시키도록 구성한다. 단위 스택은 버스바(미도시)를 통해 이웃하는 다른 단위 스택과 전기적으로 연결된다. 단위 모듈(101, 102, 103, 104) 및 전지 모듈(100)은 단위 스택들의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나 외부 전원에 연결된다.The plurality of
도 3은 아연-철 레독스 흐름 전지의 충·방전 과정을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram showing a charging and discharging process of a zinc-iron redox flow battery.
양극 전해액 탱크에 저장된 양극 전해액은 양극 활물질로 [Fe(CN)6]3-/4-를 포함하고 있으며, 음극 전해액 탱크에 저장된 음극 전해액은 음극 활물질로 Zn/[Zn(OH)4]2-를 포함하고 있다. 음극에서는 음극 표면에 아연이 석출되면서 충전이 이루어지고, 방전 과정에서 상기 석출된 아연이 [Zn(OH)4]2-의 이온으로 전해액으로 용해된다. 또한, 양극에서는 [Fe(CN)6]4-가 산화되어 [Fe(CN)6]3-가 형성되면서 충전이 이루어지고, 방전 과정에서 상기 [Fe(CN)6]3-가 [Fe(CN)6]4-로 환원된다.The positive electrode electrolyte stored in the positive electrode electrolyte tank contains [Fe(CN) 6 ] 3-/4- as the positive electrode active material, and the negative electrolyte stored in the negative electrode electrolyte tank is Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- It includes. In the negative electrode, charging is performed while zinc is deposited on the surface of the negative electrode, and the deposited zinc is dissolved in an electrolytic solution as ions of [Zn(OH) 4 ] 2- during the discharge process. In addition, in the positive electrode, [Fe(CN) 6 ] 4- is oxidized to form [Fe(CN) 6 ] 3- , and charging is performed. In the discharging process, the [Fe(CN) 6 ] 3- becomes [Fe( CN) 6 ] 4- .
한편, 아연-철 레독스 흐름 전지는 가격 및 독성이 낮으며, 수계 강염기 용액에서 높은 방전 전압을 가지는 장점이 있다. 그러나 음극의 충·방전 과정에서 아연의 석출 및 용해로 인하여 전지의 용량 감소 및 사이클 특성이 저하되는 문제가 있으며, 특히 높은 전류밀도에서 전지의 용량 감소 및 사이클 특성이 급격하게 저하되는 문제가 있다.On the other hand, the zinc-iron redox flow battery has the advantage of having low cost and toxicity, and having a high discharge voltage in an aqueous strong base solution. However, there is a problem in that the capacity of the battery is reduced and the cycle characteristics are deteriorated due to the precipitation and dissolution of zinc during the charging and discharging process of the negative electrode, and there is a problem that the capacity of the battery is reduced and the cycle characteristics of the battery are rapidly deteriorated, especially at high current density.
따라서, 본 발명에서는 바이폴라 플레이트에 맞물림형 패턴의 유로를 형성함으로써 전해액의 물질 전달(mass transport)을 향상시켜 충·방전 과정에서 발생하는 아연의 석출 및 용해를 개선하여 전압 효율 및 사이클 특성이 우수한 아연-철 레독스 흐름 전지를 제공하고자 하였다.Accordingly, in the present invention, by forming a flow path of an interlocking pattern on a bipolar plate, the mass transport of the electrolyte is improved, thereby improving the precipitation and dissolution of zinc generated during the charging and discharging process, thereby providing excellent voltage efficiency and cycle characteristics. -To provide an iron redox flow battery.
본 발명은 분리막;The present invention is a separator;
상기 분리막의 양측에 각각 배치된 전극;Electrodes disposed on both sides of the separator;
상기 전극의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트;Bipolar plates respectively disposed on one side of the electrode;
양극 전해액; 및Positive electrode electrolyte; And
음극 전해액;을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지로,A zinc-iron redox flow battery comprising a cathode electrolyte,
상기 바이폴라 플레이트는 맞물림형 패턴의 유로를 포함하며,The bipolar plate includes a flow path of an interlocking pattern,
상기 양극 전해액은 [Fe(CN)6]3-/4- 및 염기성 수용액을 포함하며,The positive electrode electrolyte includes [Fe(CN) 6 ] 3-/4- and a basic aqueous solution,
상기 음극 전해액은 Zn/[Zn(OH)4]2- 및 염기성 수용액을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The negative electrode electrolyte relates to a zinc-iron redox flow battery comprising Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- and a basic aqueous solution.
본 발명에서 상기 분리막, 전극 및 바이폴라 플레이트는 상술한 바와 같이 단위 셀(130)에 포함되는 구성으로, 상기 분리막, 전극 및 바이폴라 플레이트는 아연-철 레독스 흐름 전지에 단위 셀의 형태로 포함되며, 상기 단위 셀은 1개 또는 그 이상의 복수 개로 적층된 구조를 가진다. 또한, 상기 단위 셀(130)은 복수 개가 적층하여 형성된 단위 스택의 형태로 아연-철 레독스 흐름 전지에 포함된다.In the present invention, the separator, electrode, and bipolar plate are included in the
상술한 바와 같이 단위 셀에서 분리막이 중앙에 배치되고, 이의 양측에 좌우 대칭 구조로 전극 및 바이폴라 플레이트가 각각 대칭하여 배치된다.As described above, the separator is disposed in the center of the unit cell, and electrodes and bipolar plates are disposed symmetrically on both sides thereof in a symmetric structure.
상기 바이폴라 플레이트는 맞물림형 패턴의 유로(channel, F)를 포함한다. The bipolar plate includes a channel (F) of an interlocking pattern.
전극과 접하는 바이폴라 플레이트는 전기화학적 반응을 위해 양극 전해액 및 음극 전해액을 공급받고, 이를 균일한 압력과 양으로 전극으로 공급한다.The bipolar plate in contact with the electrode receives a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte for an electrochemical reaction, and supplies them to the electrode at a uniform pressure and quantity.
상기 유로는 전해액이 이동할 수 있도록 형성된 것으로, 본 발명에서 상기 유로는 맞물림형(interdigitated flow field, IDFF) 패턴을 갖는 것이 바람직하다.The flow path is formed to allow the electrolyte to move, and in the present invention, the flow path preferably has an interdigitated flow field (IDFF) pattern.
종래의 유로를 포함하지 않는 바이폴라 플레이트는 대부분 전극 소재로 카본 펠트를 사용하였으나, 유체의 높은 흐름 저항으로 인해 유량을 높이는데 한계가 있어, 고출력의 전지 운전이 어려운 문제가 있다. 그러나 상기 맞물림형 패턴의 유로를 포함하는 바이폴라 플레이트는 유로를 포함하지 않는 바이폴라 플레이트 대비 셀 내부 압력을 감소시킬 수 있다. 그에 따라 높은 유량으로 전해액을 순환시킬 수 있어 물질 전달(mass transport)을 향상시킬 수 있으므로 음극의 충·방전 과정에서 나타나는 아연의 석출 및 용해 반응을 개선할 수 있으며, 그로 인하여 아연-철 레독스 흐름 전지의 전압 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 높은 전류밀도에서 전지의 충·방전 효율 및 사이클 특성이 감소하는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 충전 과정에서 나타나는 분극화 현상(polarization)을 종래의 바이폴라 플레이트 대비 크게 감소시킬 수 있다.Conventional bipolar plates that do not include flow paths mostly use carbon felt as an electrode material, but there is a limitation in increasing the flow rate due to the high flow resistance of the fluid, and thus it is difficult to operate a high-output battery. However, the bipolar plate including the flow path of the interlocking pattern can reduce the pressure inside the cell compared to the bipolar plate not including the flow path. Accordingly, since the electrolyte can be circulated at a high flow rate, mass transport can be improved, thereby improving the precipitation and dissolution reactions of zinc occurring in the charging and discharging process of the negative electrode, thereby improving the zinc-iron redox flow. It is possible to improve the voltage efficiency and cycle characteristics of the battery. In particular, it is possible to solve the problem of decreasing the charging/discharging efficiency and cycle characteristics of a battery at a high current density. In addition, polarization occurring in the charging process can be significantly reduced compared to the conventional bipolar plate.
상기 맞물림형 패턴은 서로 맞물려 있는 형태의 유로들이 연속 배치되고, 각 유로들은 일면이 폐쇄되어 있는 구조로, 교대로 유로의 입구 또는 출구가 개방되는 형태를 의미한다. 상기 맞물림형 유로 구조의 경우 전해액이 유로를 따라 흐르는 것뿐만 아니라 유로를 타고 흘러 전극 반응의 기회를 더욱 높여 아연-철 레독스 흐름 전지의 충·방전 반응 효율을 증가시킬 수 있다.The interlocking pattern refers to a structure in which flow paths in a form interlocking with each other are continuously arranged, and one surface of each of the flow paths is closed, and the entrance or exit of the flow path is alternately opened. In the case of the interlocking flow path structure, the electrolyte not only flows along the flow path, but also flows along the flow path, further increasing the chance of an electrode reaction, thereby increasing the charging/discharging reaction efficiency of the zinc-iron redox flow battery.
상기 유로는 유로 형성 격벽(154)을 통해 형성되며, 이 때 격벽(154)의 폭 및 두께는 바이폴라 플레이트의 크기에 따라 적절히 조절할 수 있다. 일반적으로 격벽(154) 사이의 간격은 유로의 폭으로 정의하며, 격벽(154)의 두께는 유로의 깊이로 정의한다.The passage is formed through the passage-forming
예를 들어, 25 내지 325cm2 면적의 바이폴라 플레이트를 제작할 경우, 격벽(154)의 폭은 2 내지 8mm, 두께는 1 내지 3.5mm, 유로의 폭은 2 내지 8mm 및 유로의 깊이는 1 내지 3.5mm가 될 수 있다.For example, 25 to 325cm when producing a bipolar plate of the second area, the width of the
상기 바이폴라 플레이트는 전도성 재질이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않는다. 전도성 재질의 경우 금속, 스테인레스 스틸, 그라파이트 등의 카본재 또는 전도성 고분자 등을 사용할 수 있다.The bipolar plate may be made of a conductive material, and the present invention is not particularly limited. In the case of a conductive material, a carbon material such as metal, stainless steel, graphite, or a conductive polymer may be used.
상기 바이폴라 플레이트는 일측 하부에 전극에 전해액을 공급할 수 있도록 전해액을 유입하기 위한 유입구(162), 일측 상부에 전해액을 배출할 수 있는 배출구(161), 상기 유입구(162)와 유로부(F) 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 공급 유로(172) 및 상기 배출구(161)와 유로부(F) 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 배출 유로(171)를 포함한다.The bipolar plate includes an
또한, 상기 공급유로(172) 및 배출유로(171)는 전해액 유량을 균등하게 분배하여 공급 또는 배출시킬 수 있도록 다양한 형태를 가지며, 일례로 다수개의 분지를 갖는 분배 유로 형태를 구비할 수 있다.In addition, the
상기 공급유로로부터 두 개의 바이폴라 플레이트는 각각 양극 전해액 및 음극 전해액을 공급받으며, 맞물림형 패턴의 유로를 통하여 전해액이 전극의 전면에 고르게 공급된다. 공급된 전해액의 양극 활물질 및 음극 활물질의 산화·환원 반응을 통해 아연-철 레독스 전지의 충·방전이 일어나며, 상기 산화·환원 반응으로부터 산화수가 변화한 양극 활물질 및 음극 활물질은 배출유로를 통해 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크로 각각 회수된다.Two bipolar plates are supplied with an anode electrolyte and a cathode electrolyte from the supply channel, respectively, and the electrolyte is evenly supplied to the front surface of the electrode through the interlocking pattern channel. The charging and discharging of the zinc-iron redox battery occurs through oxidation and reduction reactions of the positive electrode active material and negative electrode active material of the supplied electrolyte, and the positive electrode active material and the negative electrode active material whose oxidation number has changed from the oxidation/reduction reaction are passed through the discharge channel. It is recovered in the electrolyte tank and the cathode electrolyte tank, respectively.
또한, 두 개의 바이폴라 플레이트는 물리적인 접촉이 이루어지면 안되므로, 바이폴라 플레이트의 물리적 접촉을 차단하며, 전극의 두께를 보정하고, 전해액의 누수를 방지하기 위해 분리막과 바이폴라 플레이트 사이에 배치된 전극의 테두리에는 가스켓이 위치한다. 구체적으로 상기 가스켓은 바이폴라 플레이트에서 전극이 접촉하고 있는 부분을 제외한 바이폴라 플레이트의 표면 상부에 위치하고 있다. 분리막은 전극 사이에 위치하여 양극 활물질 및 음극 활물질의 이동을 막고, 이온만 전달되도록 한다.In addition, since the two bipolar plates must not be in physical contact, the edge of the electrode disposed between the separator and the bipolar plate to block the physical contact of the bipolar plate, correct the thickness of the electrode, and prevent leakage of electrolyte. The gasket is located. Specifically, the gasket is located on the surface of the bipolar plate excluding a portion of the bipolar plate in contact with the electrode. The separator is positioned between the electrodes to prevent the movement of the positive active material and the negative active material, and allows only ions to be transferred.
상기 분리막은 전해액 내 이온을 통과시키도록 하며, 상기 전해액을 통해 양측에 위치한 전극의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시킨다. 이 때 분리막의 재질, 두께 및 각 구성 요소는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지의 것이 사용될 수 있다. The separator allows ions in the electrolyte to pass through, and generates electricity through electrochemical reactions of electrodes located at both sides through the electrolyte. In this case, the material, thickness, and components of the separator are not particularly limited in the present invention, and known ones may be used.
상기 분리막은 두께가 20 내지 100μm, 바람직하게는 30 내지 70μm일 수 있다. 상기 분리막의 두께가 20 내지 100μm이면 아연-철 레독스 흐름 전지에 사용이 적합한 분리막이며, 전지의 효율을 보다 증가시킬 수 있다.The separator may have a thickness of 20 to 100 μm, preferably 30 to 70 μm. If the thickness of the separator is 20 to 100 μm, it is a separator suitable for use in a zinc-iron redox flow battery, and the efficiency of the battery can be further increased.
상기 분리막으로 구체적으로 예를 들어, 불소계 고분자, 부분 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자일 수 있으며, 보다 구체적으로 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 술폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 술폰화 폴리아릴렌에테르계 고분자, 술폰화 폴리에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 술폰화 폴리아미드계 고분자, 술폰화 폴리이미드계 고분자, 술폰화 폴리포스파젠계 고분자, 술폰화 폴리스티렌계 고분자 및 방사선 중합된 술폰화 저밀도폴리에틸렌-g-폴리스티렌계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자의 단일 공중합체(Homo copolymer), 교대 공중합체(Alternating copolymer), 불규칙 공중합체(Random copolymer), 블록 공중합체(Block copolymer), 멀티블록 공중합체(Multiblock copolymer) 또는 그라프트 공중합체(Grafting copolymer)인 것으로부터 선택될 수 있다.The separator may be specifically, for example, a fluorine-based polymer, a partially fluorine-based polymer, or a hydrocarbon-based polymer, and more specifically, a perfluorosulfonic acid-based polymer, a hydrocarbon-based polymer, an aromatic sulfone-based polymer, an aromatic ketone-based polymer, and polybenzimida. Sol polymer, polystyrene polymer, polyester polymer, polyimide polymer, polyvinylidene fluoride polymer, polyethersulfone polymer, polyphenylene sulfide polymer, polyphenylene oxide polymer, polyphosphazen polymer , Polyethylene naphthalate polymer, polyester polymer, doped polybenzimidazole polymer, polyether ketone polymer, polyphenylquinoxaline polymer, polysulfone polymer, sulfonated polyarylene ether polymer, sulfonated Polyetherketone polymer, sulfonated polyetheretherketone polymer, sulfonated polyamide polymer, sulfonated polyimide polymer, sulfonated polyphosphagen polymer, sulfonated polystyrene polymer, and radiation polymerized sulfonated low-density polyethylene -g-a homopolymer of one or more polymers selected from the group consisting of polystyrene-based polymers (Homo copolymer), alternating copolymer, random copolymer, block copolymer, It may be selected from those that are multiblock copolymers or graft copolymers.
상기 전극은 전해액의 조성에 따라 전극 중 하나는 양극, 다른 하나는 음극으로서의 기능을 한다.According to the composition of the electrolyte, one of the electrodes serves as an anode and the other serves as a cathode.
즉, 양극 전해액을 공급받는 전극은 양극의 기능을 수행하고, 음극 전해액을 공급받는 전극은 음극의 기능을 수행한다.That is, the electrode receiving the positive electrolyte solution serves as an anode, and the electrode receiving the negative electrolyte solution serves as a negative electrode.
구체적으로, [Fe(CN)6]3-/4- 및 염기성 수용액을 포함하는 양극 전해액을 공급받는 전극은 양극의 기능을 수행하고, Zn/[Zn(OH)4]2- 및 염기성 수용액을 포함하는 음극 전해액을 공급받는 전극은 음극의 기능을 수행할 수 있다.Specifically, the electrode receiving the positive electrode electrolyte containing [Fe(CN) 6 ] 3-/4- and a basic aqueous solution performs the function of the positive electrode, and uses Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- and a basic aqueous solution. An electrode receiving the included cathode electrolyte may perform the function of a cathode.
상기 전극은 도전성을 갖는 재질이 사용되며, 예를 들어 카본 펠트, 그라파이트 펠트, 카본천, 카본 페이퍼, 금속천, 금속 펠트, 금속 메쉬 및 발포금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The electrode is made of a material having conductivity, for example, carbon felt, graphite felt, carbon cloth, carbon paper, metal cloth, metal felt, metal mesh, and may include at least one selected from the group consisting of metal foam. have.
상기 양극 전해액은 양극 전해액 탱크에 저장되어 있는 것으로, 저장된 양극 전해액이 분리막, 전극 및 바이폴라 플레이트를 포함하는 단위 셀에 공급된다. 상기 공급은 단위 셀과 양극 전해액 탱크 간 양극 전해액을 순환시키기 위한 양극 전해액 펌프에 의해 이루어지며, 상기 양극 전해액 순환에 의해 전류가 발생한다. The anode electrolyte is stored in an anode electrolyte tank, and the stored anode electrolyte is supplied to a unit cell including a separator, an electrode, and a bipolar plate. The supply is made by an anode electrolyte pump for circulating the anode electrolyte between the unit cell and the anode electrolyte tank, and current is generated by the circulation of the anode electrolyte.
상기 양극 전해액은 양극 활물질 및 염기성 수용액을 포함하며, 구체적으로 염기성 수용액에 양극 활물질이 용해된 형태이며, 아연-철 레독스 흐름 전지의 양극 전해액의 양극 활물질은 산화·환원쌍의 [Fe(CN)6]3-/4-이다.The positive electrode electrolyte includes a positive electrode active material and a basic aqueous solution, and specifically, a positive electrode active material is dissolved in a basic aqueous solution, and the positive electrode active material of the positive electrode electrolyte of a zinc-iron redox flow battery is an oxidation-reduction pair of [Fe(CN) 6 ] 3-/4- .
상기 산화·환원쌍의 [Fe(CN)6]3-/4-가 2개의 산화상태(oxidation state) 중 높은 쪽으로 변할 때, 즉 산화가 일어날 때 충전이 일어나며, 산화상태가 낮은 쪽으로 변할 때, 즉 환원이 일어날 때 방전이 일어난다.When [Fe(CN) 6 ] 3-/4- of the oxidation-reduction pair changes to a higher one of the two oxidation states, that is, when oxidation occurs, charging occurs, and when the oxidation state changes to a lower one, That is, discharge occurs when reduction occurs.
상기 [Fe(CN)6]3-/4-는 산성 용액에서 매우 불안정하며, 유독 물질인 HCN 및 KCN 등을 발생시키기 때문에 산성 용액에서는 이용이 불가하다.The [Fe(CN) 6 ] 3-/4- is very unstable in acidic solutions and cannot be used in acidic solutions because it generates toxic substances such as HCN and KCN.
상기 [Fe(CN)6]3-/4-는 양극 전해액 내에 상기 이온 형태로 존재하기 위하여 [Fe(CN)6]4-를 포함하는 염의 형태로 포함될 수 있다. 상기 염은 Na4Fe(CN)6 또는 K4Fe(CN)6일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The [Fe(CN) 6 ] 3-/4- may be included in the form of a salt including [Fe(CN) 6 ] 4- to exist in the ionic form in the positive electrode electrolyte. The salt may be Na 4 Fe(CN) 6 or K 4 Fe(CN) 6 , but is not limited thereto.
상기 염기성 수용액은 당 업계에서 사용되는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH)2, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있으며, 보다 바람직하게는 KOH 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 염기성 수용액에서 염기의 농도는 0.1 내지 10 M, 바람직하게는 1 내지 7 M인 것을 사용한다.The basic aqueous solution is not particularly limited if it is used in the art, but preferably 1 selected from the group consisting of KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH) 2 , Mg(OH) 2 and Ca(OH) 2 It may be an aqueous solution containing more than one species, more preferably an aqueous solution containing one or more selected from the group consisting of KOH and NaOH. In the basic aqueous solution, the concentration of the base is 0.1 to 10 M, preferably 1 to 7 M.
또한, 상기 양극 활물질은 양극 전해액에 0.1 내지 1.5M, 바람직하게는 0.2 내지 1M로 포함된다. 상기 양극 활물질이 0.1M 미만으로 포함되면 농도가 너무 낮아 레독스 흐름 전지에 적용이 어려우며, 1.5M을 초과하면 지지 전해질 조성 및 외부 조건에 따라 양극 활물질이 완전히 용해되지 못할 수 있다.In addition, the positive electrode active material is contained in an amount of 0.1 to 1.5M, preferably 0.2 to 1M in the positive electrode electrolyte. If the positive electrode active material is contained in less than 0.1M, the concentration is too low to be applied to a redox flow battery. If it exceeds 1.5M, the positive electrode active material may not be completely dissolved depending on the composition of the supporting electrolyte and external conditions.
상기 음극 전해액은 음극 전해액 탱크에 저장되어 있는 것으로, 저장된 음극 전해액이 분리막, 전극 및 바이폴라 플레이트를 포함하는 단위 셀에 공급된다. 상기 공급은 단위 셀과 양극 전해액 탱크 간 음극 전해액을 순환시키기 위한 음극 전해액 펌프에 의해 이루어지며, 상기 음극 전해액 순환에 의해 전류가 발생한다.The cathode electrolyte is stored in a cathode electrolyte tank, and the stored cathode electrolyte is supplied to a unit cell including a separator, an electrode, and a bipolar plate. The supply is made by a cathode electrolyte pump for circulating the cathode electrolyte between the unit cell and the anode electrolyte tank, and current is generated by the cathode electrolyte circulation.
상기 음극 전해액은 음극 활물질 및 염기성 수용액을 포함하며, 구체적으로 염기성 수용액에 음극 활물질이 용해된 형태이며, 아연-철 레독스 흐름 전지의 음극 전해액의 음극 활물질은 산화·환원쌍의 Zn/[Zn(OH)4]2- 이다.The negative electrode electrolyte includes a negative electrode active material and a basic aqueous solution, and specifically, a negative electrode active material is dissolved in a basic aqueous solution, and the negative electrode active material of the negative electrode electrolyte of a zinc-iron redox flow battery is Zn/[Zn( OH) 4 ] 2- .
상기 산화·환원쌍의 Zn/[Zn(OH)4]2- 가 2개의 산화상태(oxidation state) 중 낮은 쪽으로 변할 때, 즉 환원이 일어날 때 충전이 일어나며, 산화상태가 높은 쪽으로 변할 때, 즉 산화가 일어날 때 방전이 일어난다. 구체적으로, 음극 표면에 아연이 석출되면서 충전이 이루어지고, 상기 석출된 아연이 [Zn(OH)4]2-로 환원되어 방전이 이루어진다.When Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- of the oxidation-reduction pair changes to the lower of the two oxidation states, that is, when reduction occurs, charging occurs, and when the oxidation state changes to a higher level, that is, Discharge occurs when oxidation occurs. Specifically, charging is performed while zinc is precipitated on the surface of the negative electrode, and the deposited zinc is reduced to [Zn(OH) 4 ] 2- to cause discharge.
상기 Zn/[Zn(OH)4]2-는 음극 전해액 내에 아연 화합물의 형태로 포함될 수 있다. 상기 아연 화합물은 아연을 포함하는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지는 않으나, 바람직하게는 산화아연, 염화아연, 브롬화아연, 요오드화아연, 황산아연, 질산아연 및 아세트산아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- may be included in the form of a zinc compound in the negative electrode electrolyte. The zinc compound is not particularly limited as long as it contains zinc, but preferably at least one selected from the group consisting of zinc oxide, zinc chloride, zinc bromide, zinc iodide, zinc sulfate, zinc nitrate and zinc acetate. Can include.
상기 염기성 수용액은 당 업계에서 사용되는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH)2, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있으며, 보다 바람직하게는 KOH 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 염기성 수용액에서 염기의 농도는 0.1 내지 10 M, 바람직하게는 1 내지 7 M인 것을 사용한다.The basic aqueous solution is not particularly limited if it is used in the art, but preferably 1 selected from the group consisting of KOH, NaOH, LiOH, Ba(OH) 2 , Mg(OH) 2 and Ca(OH) 2 It may be an aqueous solution containing more than one species, more preferably an aqueous solution containing one or more selected from the group consisting of KOH and NaOH. In the basic aqueous solution, the concentration of the base is 0.1 to 10 M, preferably 1 to 7 M.
또한, 상기 음극 활물질은 음극 전해액에 0.1 내지 3M, 바람직하게는 0.2 내지 1M로 포함된다. 상기 음극 활물질이 0.1M 미만으로 포함되면 농도가 너무 낮아 레독스 흐름 전지에 적용이 어려우며, 3M을 초과하면 비활성종인 고체 산화아연(ZnO)이 석출될 수 있다.In addition, the negative active material is contained in the negative electrode electrolyte in an amount of 0.1 to 3M, preferably 0.2 to 1M. If the negative active material is contained in an amount of less than 0.1M, the concentration is too low to be applied to a redox flow battery, and if it exceeds 3M, solid zinc oxide (ZnO), which is an inactive species, may precipitate.
상기 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 양극 전해액 및 음극 전해액의 유량이 0.5 내지 6mL/(cm2·min), 바람직하게는 2 내지 4mL/(cm2·min)일 수 있다. 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 맞물림형 패턴의 유로가 형성된 바이폴라 플레이트를 포함함에 따라 전해액의 물질 전달(mass transport)을 향상시킬 수 있어 전지의 전압 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. The zinc-iron redox flow battery of the present invention may have a flow rate of 0.5 to 6 mL/(cm 2 ·min), preferably 2 to 4 mL/(cm 2 ·min) of the positive electrolyte and negative electrolyte. As the zinc-iron redox flow battery of the present invention includes a bipolar plate having an interlocking pattern of flow paths, mass transport of an electrolyte may be improved, thereby improving voltage efficiency and cycle characteristics of the battery.
상기 유량이 높을수록 전해액의 물질 전달을 향상시킬 수 있으며, 상기 유량 범위에서 우수한 전해액 물질 전달을 보이며, 그로 인하여 전지의 전압 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있으며, 충·방전시 발생하는 과전압을 감소시킬 수 있다.The higher the flow rate, the better the material transfer of the electrolyte can be, and excellent electrolyte material transfer can be achieved in the flow range, thereby improving the voltage efficiency and cycle characteristics of the battery, and reducing the overvoltage that occurs during charging and discharging. I can make it.
상기 유량이 0.5mL/(cm2·min) 미만이면 전극에 전달되는 활물질의 양이 부족하여 과전압이 크게 발생할 수 있고, 6mL/(cm2·min)을 초과하면 셀 내부의 압력이 크게 증가하여 전해액이 누출될 수 있다.If the flow rate is less than 0.5 mL/(cm 2 min), the amount of active material delivered to the electrode may be insufficient, resulting in a large overvoltage. If it exceeds 6 mL/(cm 2 min), the pressure inside the cell increases significantly. Electrolyte may leak.
상기 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 전류밀도가 30 내지 200 mA/cm2이며, 바람직하게는 50 내지 150 mA/cm2이다.The zinc-iron redox flow battery of the present invention has a current density of 30 to 200 mA/cm 2 , and preferably 50 to 150 mA/cm 2 .
아연-철 레독스 흐름 전지는 음극 표면에 아연이 석출되면서 충전이 이루어지고, 상기 석출된 아연이 [Zn(OH)4]2-로 환원되어 방전이 이루어짐에 따라, 종래의 맞물림형 패턴의 유로를 포함하지 않는 바이폴라 플레이트를 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지는 100mA/cm2 이상의 높은 전류밀도에서 전지의 충·방전 효율 및 사이클 특성이 저하되는 문제가 있다.The zinc-iron redox flow battery is charged while zinc is deposited on the surface of the negative electrode, and the deposited zinc is reduced to [Zn(OH) 4 ] 2- to discharge, so that the flow path of the conventional interlocking pattern A zinc-iron redox flow battery including a bipolar plate that does not contain a battery has a problem in that charging/discharging efficiency and cycle characteristics of the battery are deteriorated at a high current density of 100 mA/cm 2 or more.
그러나 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 맞물림형 패턴의 유로가 형성된 바이폴라 플레이트를 포함함에 따라 전해액의 물질 전달(mass transport)을 향상시킬 수 있어 100mA/cm2 이상의 높은 전류밀도에서도 전지의 전압 효율 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.However, since the zinc-iron redox flow battery of the present invention includes a bipolar plate in which a flow path of an interlocking pattern is formed, mass transport of an electrolyte can be improved, so that the voltage of the battery even at a high current density of 100 mA/cm 2 or more Efficiency and cycle characteristics can be improved.
상기 전류밀도가 30mA/cm2 미만이면 전지의 출력이 낮고, 충·방전 시간이 오래 걸리는 문제가 있고, 200mA/cm2을 초과하면 높은 과전압으로 인해 전압 효율이 크게 감소하여 에너지 효율이 매우 낮을 수 있다.If the current density is less than 30mA/cm 2, the output of the battery is low, and charging/discharging time is long. If it exceeds 200mA/cm 2 , the voltage efficiency is greatly reduced due to a high overvoltage, resulting in very low energy efficiency. have.
또한, 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 상기 유량 범위에서 전류밀도가 높을수록 전지의 전압 효율 및 사이클 특성 향상 효과가 우수하게 나타나며, 특히 높은 전류밀도에서 전기화학 반응이 빠르게 일어나기 때문에 유량 증가에 따른 물질 전달(mass transport) 향상으로 인하여 전지의 과전압 감소 효과가 우수하게 나타난다.In addition, in the zinc-iron redox flow battery of the present invention, the higher the current density in the above flow rate range, the better the effect of improving the voltage efficiency and cycle characteristics of the battery is. In particular, the flow rate increases because the electrochemical reaction occurs rapidly at a high current density. Due to the improvement in mass transport, the effect of reducing overvoltage of the battery is excellent.
즉, 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 0.5 내지 6mL/(cm2·min)의 유량 및 30 내지 200mA/cm2의 전류밀도에서 최적의 운전 조건을 나타내어 향상된 전압 효율 및 사이클 특성의 효과를 나타낼 수 있으며, 충·방전시 발생하는 과전압을 감소시킬 수 있다.That is, the zinc-iron redox flow battery of the present invention exhibits optimal operating conditions at a flow rate of 0.5 to 6 mL/(cm 2 ·min) and a current density of 30 to 200 mA/cm 2 to improve voltage efficiency and effect of cycle characteristics. And can reduce overvoltage generated during charging and discharging.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
<아연-철 레독스 흐름 전지 제조><Manufacture of zinc-iron redox flow battery>
실시예 1.Example 1.
2.03g의 산화아연(0.025mol)을 8g의 NaOH(0.2mol)와 혼합한 후 약 10mL의 증류수를 첨가하였다. 상기 산화아연이 점차 용해되어 용액의 색이 투명해지면 전체 부피가 50mL가 되도록 증류수를 소량씩 천천히 첨가하여 음극 전해액을 제조하였으며, 상기 음극 전해액에서 산화아연의 농도는 0.5M이며, NaOH의 농도는 4M이었다.2.03 g of zinc oxide (0.025 mol) was mixed with 8 g of NaOH (0.2 mol), and then about 10 mL of distilled water was added. When the zinc oxide gradually dissolves and the color of the solution becomes transparent, distilled water was slowly added in small portions to a total volume of 50 mL to prepare a cathode electrolyte, and the concentration of zinc oxide in the cathode electrolyte was 0.5 M, and the concentration of NaOH was 4 M. Was.
25mL의 증류수에 NaOH를 첨가하여 NaOH 수용액을 제조한 뒤, K4Fe(CN)6을 첨가한 후 용액의 부피가 50mL가 되도록 증류수를 첨가하여 3M NaOH 및 0.5M K4Fe(CN)6 농도를 갖는 50mL 부피의 양극 전해액을 제조하였다.After preparing an aqueous NaOH solution by adding NaOH to 25 mL of distilled water, after adding K 4 Fe(CN) 6 , distilled water was added so that the volume of the solution became 50 mL, and the concentration of 3M NaOH and 0.5MK 4 Fe(CN) 6 was added. A positive electrode electrolyte solution having a volume of 50 mL was prepared.
분리막의 양측에 5×5 cm2의 카본 페이퍼(Carbon paper)를 배치하고, 상기 카본 페이퍼의 일측면에 각각 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)를 배치하며, 상기 바이폴라 플레이트의 일측면에 각각 금 집전체(Gold current collector)를 배치하여 단위 셀을 제조하였다. 5×5 cm 2 of carbon paper is disposed on both sides of the separator, a bipolar plate is disposed on one side of the carbon paper, and a gold current collector is disposed on one side of the bipolar plate. Gold current collector) was placed to prepare a unit cell.
분리막으로는 나피온 212을 사용하였다. 상기 바이폴라 플레이트는 맞물림형(interdigitated flow field, IDFF) 패턴의 유로가 형성된 것이며, 유로의 폭은 4mm, 유로의 깊이는 2.5mm, 격벽의 폭은 5mm이며, 버퍼 유로의 폭은 3mm 이었다. 또한, 카본 페이퍼의 테두리에는 가스켓이 배치되었다.Nafion 212 was used as a separator. The bipolar plate was formed with an interdigitated flow field (IDFF) pattern flow path, the width of the flow path was 4 mm, the depth of the flow path was 2.5 mm, the width of the partition wall was 5 mm, and the width of the buffer flow path was 3 mm. In addition, a gasket was placed on the edge of the carbon paper.
비교예 1.Comparative Example 1.
유로가 형성되지 않은 바이폴라 플레이트(Flat)를 사용한 것과 카본 펠트(Carbon felt)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 아연-철 레독스 흐름 전지를 제조하였다.A zinc-iron redox flow battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a bipolar plate having no flow path was used and carbon felt was used.
실험예 1. 레독스 흐름 전지의 성능 평가Experimental Example 1. Performance evaluation of redox flow battery
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 아연-철 레독스 흐름 전지를 전압 범위 0.2 내지 2.1V로 하여 100cycle을 진행하여 사이클 특성, 전압 효율(VE), 전류 효율(CE), 및 에너지 효율(EE)을 측정하였다. 이 때 유량 및 전류밀도의 조건을 다르게 수행하였으며, 유량 및 전류밀도의 조건은 하기 표 1과 같다.The zinc-iron redox flow batteries prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to 100 cycles in a voltage range of 0.2 to 2.1 V, and cycle characteristics, voltage efficiency (VE), current efficiency (CE), and energy efficiency ( EE) was measured. At this time, conditions of flow rate and current density were performed differently, and conditions of flow rate and current density are shown in Table 1 below.
전류 효율(CE), 에너지 효율(EE) 및 전압 효율(VE)은 각각 하기 수학식 1 내지 3에 의하여 구하였다.Current efficiency (CE), energy efficiency (EE), and voltage efficiency (VE) were obtained by the following equations 1 to 3, respectively.
[수학식 1][Equation 1]
전류 효율(CE) = 방전용량/충전용량Current efficiency (CE) = discharge capacity/charge capacity
[수학식 2][Equation 2]
에너지 효율(EE) = 방전 에너지/충전 에너지Energy efficiency (EE) = discharge energy/charge energy
[수학식 3][Equation 3]
전압 효율(VE) = 에너지효율/전류효율Voltage efficiency (VE) = energy efficiency/current efficiency
실시예 1 및 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 사이클 특성, 전류 효율, 에너지 효율 및 전압 효율의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The cycle characteristics, current efficiency, energy efficiency, and voltage efficiency of the zinc-iron redox flow batteries of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below.
(mA/cm2)Current density
(mA/cm 2 )
(mL/(cm2·min))flux
(mL/(cm 2 min))
(%)Current efficiency
(%)
(%)Voltage efficiency
(%)
(%)Energy efficiency
(%)
(IDFF)Example 1
(IDFF)
(Flat)Comparative Example 1
(Flat)
유량 1mL/(cm2·min) 및 전류밀도 50mA/cm2의 실시예 1 및 비교예 1의 결과에서, 맞물림형 패턴의 유로가 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하는 실시예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지의 사이클 특성이 유로가 형성되지 않은 바이폴라 플레이트를 포함하는 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지 보다 현저하게 우수한 결과를 보였다. 보다 구체적으로, 100번째 사이클 방전 용량이 비교예 1 대비 150% 이상 증가한 결과를 보였다(도 6).In the results of Example 1 and Comparative Example 1 having a flow rate of 1 mL/(cm 2 min) and a current density of 50 mA/cm 2 , the flow of zinc-iron redox in Example 1 including a bipolar plate having an interlocking pattern of flow paths The cycle characteristics of the battery showed remarkably better results than the zinc-iron redox flow battery of Comparative Example 1 including the bipolar plate in which the flow path was not formed. More specifically, the 100th cycle discharge capacity increased by more than 150% compared to Comparative Example 1 (FIG. 6).
유량 1mL/(cm2·min) 및 전류밀도 100mA/cm2의 실시예 1 및 비교예 1의 결과에서도 상기와 유사한 결과를 보였다(도 7).The results of Example 1 and Comparative Example 1 of flow rate 1 mL/(cm 2 ·min) and
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지를 4mL/(cm2·min)의 유량에서 50mA/cm2의 전류밀도로 100 사이클 진행 후, 4mL/(cm2·min)의 유량에서 100mA/cm2의 전류밀도로 100 사이클 진행하여 수명 특성을 측정하였다. 그 결과, 비교예 1은 수명 특성이 매우 불량한 결과를 보인 반면, 실시예 1은 우수한 수명 특성을 보였다(도 8). 특히, 100mA/cm2의 전류밀도에서 실시예 1은 비교예 1 보다 전압 효율 및 에너지 효율이 현저하게 우수한 결과를 보였다.In Examples 1 and Comparative Example 1, the zinc and then proceeds
또한, 전압 프로파일 측정에서 비교예 1의 아연-철 레독스 흐름 전지는 충전 과정의 마지막 부분에서 나타나는 분극 현상(polarization)이 사이클이 진행됨에 따라 빠르게 증가하는 것을 확인할 수 있었다(도 9).In addition, in the measurement of the voltage profile, it was confirmed that in the zinc-iron redox flow battery of Comparative Example 1, the polarization phenomenon that occurs at the end of the charging process increases rapidly as the cycle progresses (FIG. 9).
상기 결과로부터, 바이폴라 플레이트에 맞물림형 패턴의 유로를 형성하면 전해액의 물질 전달이 향상되어 아연의 석출 및 용해되는 전기화학적 충·방전 반응이 개선됨에 따라 사이클 특성이 매우 향상되는 것을 알 수 있으며, 유량 및 전류밀도가 높을수록 물질 전달(mass transport) 향상으로 인한 전지의 과전압 감소 효과가 우수하여 전압 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that when the flow path of the interlocking pattern is formed on the bipolar plate, the mass transfer of the electrolyte is improved, and the electrochemical charge/discharge reaction for precipitation and dissolution of zinc is improved, thereby greatly improving the cycle characteristics. And it can be seen that the higher the current density, the better the effect of reducing the overvoltage of the battery due to the improvement of mass transport, thereby improving the voltage efficiency.
유량 및 전류밀도의 조건을 달리한 실시예 1의 결과에서,In the result of Example 1 in which conditions of flow rate and current density were different,
유량이 증가할수록 전압 효율 및 사이클 특성이 향상되는 결과를 보였다. 이는 유량이 증가함에 따라 전해액 물질 전달(mass transport)이 향상되어 과전압이 감소하고, 전압 효율이 증가한 것임을 알 수 있다.As the flow rate increased, the voltage efficiency and cycle characteristics were improved. It can be seen that as the flow rate increases, the electrolyte mass transport is improved, the overvoltage is reduced, and the voltage efficiency is increased.
또한, 전류밀도가 증가할수록 사이클 특성이 향상되는 결과를 보였다.In addition, as the current density increased, the cycle characteristics improved.
특히, 100mA/cm2와 같이 높은 전류밀도에서는 전기화학 반응이 빠르게 일어나기 때문에 유량 증가에 따른 전해액 물질 전달 향상이 과전압 감소에 더 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.In particular, since the electrochemical reaction occurs rapidly at a high current density such as 100mA/cm 2 , it was confirmed that the improvement of the electrolyte mass transfer according to the increase in flow rate had a greater effect on the reduction of the overvoltage.
따라서, 본 발명의 아연-철 레독스 흐름 전지는 전압 효율 및 사이클 특성이 우수한 효과를 지니며, 특히 유량 및 전류밀도가 높을수록 상기 효과가 더욱 우수한 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the zinc-iron redox flow battery of the present invention has excellent voltage efficiency and cycle characteristics, and particularly, the higher the flow rate and current density, the more excellent the effect is.
1000 : 레독스 흐름 전지
100 : 전지 모듈
101, 102, 103, 104 : 단위 모듈
202, 204 : 전해액 탱크
302, 304 : 전해액 펌프
111, 113 : 엔드 플레이트
115, 117 : 집전 플레이트
118, 119 : 바이폴라 플레이트
120, 121 : 전극
123 : 분리막
130 : 단위 셀
154 : 유로 형성 격벽
161 : 배출구
162 : 유입구
171 : 배출 유로
172 : 공급 유로
F : 유로1000: redox flow battery
100: battery module
101, 102, 103, 104: unit module
202, 204: electrolyte tank
302, 304: electrolyte pump
111, 113: end plate
115, 117: collector plate
118, 119: bipolar plate
120, 121: electrode
123: separator
130: unit cell
154: passage forming bulkhead
161: outlet
162: inlet
171: discharge flow path
172: supply euro
F: Euro
Claims (10)
상기 분리막의 양측에 각각 배치된 전극;
상기 전극의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트;
양극 전해액; 및
음극 전해액;을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지로,
상기 바이폴라 플레이트는 맞물림형 패턴의 유로를 포함하며,
상기 양극 전해액은 [Fe(CN)6]3-/4- 및 염기성 수용액을 포함하며,
상기 음극 전해액은 Zn/[Zn(OH)4]2- 및 염기성 수용액을 포함하는 아연-철 레독스 흐름 전지.Separator;
Electrodes disposed on both sides of the separator;
Bipolar plates respectively disposed on one side of the electrode;
Positive electrode electrolyte; And
A zinc-iron redox flow battery comprising a cathode electrolyte,
The bipolar plate includes a flow path of an interlocking pattern,
The positive electrode electrolyte includes [Fe(CN) 6 ] 3-/4- and a basic aqueous solution,
The cathode electrolyte is a zinc-iron redox flow battery comprising Zn/[Zn(OH) 4 ] 2- and a basic aqueous solution.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190047648A KR20200124398A (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Zn-Fe Redox flow battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190047648A KR20200124398A (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Zn-Fe Redox flow battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20200124398A true KR20200124398A (en) | 2020-11-03 |
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ID=73197867
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020190047648A KR20200124398A (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Zn-Fe Redox flow battery |
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Country | Link |
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KR (1) | KR20200124398A (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20170092040A (en) | 2016-02-02 | 2017-08-10 | 롯데케미칼 주식회사 | Electrolyte for redox flow battery and redox flow battery |
KR20180002993A (en) | 2016-06-30 | 2018-01-09 | 한국에너지기술연구원 | Electrolyte for vanadium redox flow battery and redox flow battery comprising thereof |
-
2019
- 2019-04-24 KR KR1020190047648A patent/KR20200124398A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20180002993A (en) | 2016-06-30 | 2018-01-09 | 한국에너지기술연구원 | Electrolyte for vanadium redox flow battery and redox flow battery comprising thereof |
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