KR20210092038A - 출력 밀도 향상 및 적층이 용이한 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조 및 이를 적용한 흐름식 에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력 밀도 향상 및 적층이 용이한 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조에 관한 것으로, 복수의 단위셀이 겹쳐진 흐름식 에너지 저장장치 셀스택을 체결하는 구조로서, 복수의 단위셀 양단에 위치하는 엔드 플레이트; 상기 엔드 플레이트플 포함하는 셀스택을 감싸서 고정하는 하나 이상의 밴드부재; 상기 엔드 플레이트 내측에 위치하며 안쪽의 집전체에 접촉하는 집전체 가압 플레이트; 및 상기 엔드 플레이트를 관통하여 설치되는 하나 이상의 가압볼트를 포함하며, 상기 가압볼트는 헤드가 상기 엔드 플레이트의 외측에 위치하여, 가압볼트를 조이면 헤드 반대편의 단부가 상기 집전체 가압 플레이트를 가압하고, 집전체 가압 플레이트가 집전체를 가압하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 가압 볼트와 집전체 가압 플레이트에 의한 가압 구조에 의해서 금속 재질의 집전체와 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트의 접촉면적을 증가시킴으로써, 접촉저항을 줄일 수 있으며 그에 따른 전압 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가 본 발명은 접촉면적을 넓혀서 전체적으로 접촉되도록 함으로써, 기존 구조에서 불균일한 접촉에 따른 국부적인 전류 집중 현상을 방지하여 바이폴라 플레이트 및 펠트 전극의 부식을 방지하여 셀 스택의 안전성을 향상 시킬 수 있다.

Description

출력 밀도 향상 및 적층이 용이한 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조 및 이를 적용한 흐름식 에너지 저장장치{FASTENING STRUCTURE FOR CELL STACK OF FLOW TYPE ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 복수의 셀이 적층된 셀스택의 체결구조에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조에 관한 것이다.
전력 생산의 주원료인 석유, 석탄 등 화석연료의 급격한 가격 변동과 환율 상승에 따른 불안정한 에너지 수급, 고유가 및 온실가스 감축 의무화 시대로의 진입으로 전력 생산 비용이 상승함에 따라 국가적인 에너지 관리체계가 필요하다. 화석연료를 사용하는 기존 에너지원의 경우 배출되는 온실가스가 생태계 파괴 및 환경오염의 주요인이 되고 있어, 이를 해결할 수 있는 풍력, 태양광, 조력 등의 신재생 에너지가 대체 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만, 신재생 에너지에서 생산된 전력은 기후 변화에 매우 민감하여, 균일하고 일정한 형태의 전력공급이 불가능하다. 이로 인하여 기존 전력망 시스템에 직접 연결하여 사용할 수 없는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 중대형 에너지저장장치가 필요시 되고 있다. 중대형 이차전지는 신재생 에너지 저장용뿐만 아니라 그린 카와 그린 홈 등 다양한 분야에서도 요구되고 있다.
일반적인 이차전지는 전극활물질과 함께 전해액의 양이 고정되어 있기 때문에 에너지 저장량을 증가시키는 것에 한계가 있다. 반면에 최근에 개발된 레독스 흐름전지(RFB, Redox Flow Battery)와 전기화학 플로우 커패시터(EFC, electrochemical flow capacitor) 등과 같이 유동성 물질(전기활성 화합물 또는 슬러리 전극)에 에너지를 저장하는 흐름식 에너지 저장장치(flow type energy storage device)는 유동성 물질을 저장하는 외부 탱크의 크기에 의해서 에너지 저장량을 크게 늘릴 수 있는 장점이 있다.
레독스 흐름전지와 전기화학 플로우 커패시터는 전기에너지 저장을 위한 레독스 반응 또는 전기이중층 형성과정은 유동성 물질이 머물 수 있는 반응영역에서 수행되며, 이러한 반응영역은 양극과 음극의 한 쌍으로 구성되고, 한 쌍의 양극과 음극 반응영역을 구비한 기본 단위를 셀(cell)로 표현한다. 이때 셀을 구성하는 양극과 음극 반응영역이 넓을수록 저장장치의 효율이 향상되지만, 하나의 셀의 크기를 크게 만드는 것에는 한계가 있으므로, 복수의 단위셀을 적층하여 겹친 셀스택(cell stack)을 적용하고 있다. 구체적으로 셀스택은 다수의 매니폴드, 전극 그리고 분리막이 겹쳐진 구성이며, 각 구성요소들 사이의 실링을 위한 가스켓이 사용된다. 또한 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜서 전기에너지를 발생시키는 연료전지의 경우에도 지속적으로 연료와 산소를 공급하는 구조가 유사하다.
레독스 흐름전지와 전기화학 플로우 커패시터 및 연료전지와 같이 유동성 물질이 공급되는 흐름식 에너지 저장장치에서, 셀스택은 유동성 물질의 누출을 방지하고 전지로서의 구조를 갖추기 위해 적층되어 있는 다수의 셀들을 하나로 체결하여 고정시켜야 하며, 이를 위해 가압 플레이트를 통해 복수의 셀 유닛을 일정 압력으로 눌러 체결하는 방식이 사용된다.
도 10은 일반적인 레독스 흐름전지에서 셀스택을 체결하는 구조를 도시한 도면이다.
도시된 레독스 흐름전지는, 외부 도선과 연결되는 집전체(60), 전기화학 반응을 일으키는 펠트전극(6, 7)과 전해액의 흐름 역할을 하는 매니폴드가 포함되어 있는 플로우 프레임(40, 50), 그리고 각 단위 셀을 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결시키는 바이폴라 플레이트(4), 양극과 음극 전해질의 혼합을 막아주고 선택적으로 이온을 이동시키는 역할을 하는 멤브레인(1)으로 구성되어 있다.
복수의 셀의 양단에 위치하는 엔드플레이트(70)를 관통하는 전산볼트(20)와 이에 체결된 너트(10)를 이용하여 셀스택의 가압 및 체결이 이루어진다. 전산볼트(20)를 이용한 체결구조로로 인해 셀스택의 체적(부피가)이 증가하여 단위 부피당 출력밀도를 떨어뜨리게 된다. 또한 전산볼트(20) 체결을 통해 만들어진 셀스택은 셀스택의 부피를 증가시켜 설치공간에 대한 제약이 발생되며, 기존 방식으로 제조된 셀스택을 이용하여 다수의 셀스택을 직렬 및 병렬 연결할 경우 시스템 설치 공간역시 증가하게 된다. 나아가 셀스택의 사이즈에 따라 체결되는 볼트와 너트의 크기가 달라지게 되고 대용량 에너지 저장 시스템의 장점을 가진 레독스 흐름전지의 경우 스택의 크기가 증가함에 따라 보다 큰 전산 볼트와 너트 그리고 체결 개수가 증가함에 따라 중량(무게)이 증가하여 스택의 설치 및 유지 보수하는데 어려움이 있다. 또 다른 문제로는 도시된 것과 같이 양극(6)과 음극(7)으로 이루어진 단위 셀의 내측(플로우 프레임, 매니폴드 내부 형성)으로 적층셀 체결을 위한 전산볼트를 사용할 경우, 양극 전해질과 음극전해질의 누수가 발생하여 전기적으로 도체인 전산볼트와 연결될 경우 쇼트서킷(short circuit)이 형성되어 단락이 발생되고 배터리의 성능 및 수명을 떨어뜨리게 된다. 또한 황산(H2SO4), 염산(HCl)과 같은 산성 지지전해질을 사용하기 때문에 전산볼트의 부식이 발생되며, 심할 경우 부식에 의한 체결이 어려울 수 있다. 그리고 다수의 전산볼트 및 너트를 동시에 균일하게 체결하기 어려우며, 이로 인한 체결부위의 균일성이 떨어질 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 다른 방식으로 체결하려는 노력이 이어지고 있으나, 양단에서 적절한 가압을 유지하기 위한 구성이 복잡하여 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 10-1550596 대한민국 등록특허 10-0997173
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 흐름식 에너지 저장장치 셀스택을 체결하는 새로운 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조는, 복수의 단위셀이 겹쳐진 흐름식 에너지 저장장치 셀스택을 체결하는 구조로서, 복수의 단위셀 양단에 위치하는 엔드 플레이트; 상기 엔드 플레이트플 포함하는 셀스택을 감싸서 고정하는 하나 이상의 밴드부재; 상기 엔드 플레이트 내측에 위치하며 안쪽의 집전체에 접촉하는 집전체 가압 플레이트; 및 상기 엔드 플레이트를 관통하여 설치되는 하나 이상의 가압볼트를 포함하며, 상기 가압볼트는 헤드가 상기 엔드 플레이트의 외측에 위치하여, 가압볼트를 조이면 헤드 반대편의 단부가 상기 집전체 가압 플레이트를 가압하고, 집전체 가압 플레이트가 집전체를 가압하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 사용된 "흐름식 에너지 저장장치(flow type energy storage device)"라는 용어는 레독스 흐름전지와 전기화학 플로우 커패시터 및 연료전지 등과 같이, 유동성 물질을 사용하여 전기 에너지를 생산 및 저장하는 장치를 모두 포함하는 용어로서 사용하였다. 레독스 흐름전지와 전기화학 플로우 커패시터 및 연료전지는 전기 에너지를 저장하는 방법에서는 차이가 있으나, 유동성 물질이 반응하는 단위셀이 적층되는 셀스택 구조는 동일하게 적용될 수 있으므로 본 발명의 체결구조를 모두 적용할 수 있다.
가압볼트의 헤드 반대편 단부와 집전체 가압 플레이트의 사이에, 가압볼트의 단부보다 면적이 넓은 가압판이 위치하는 것이 바람직하다.
엔드 플레이트와 집전체 가압 플레이트의 사이에 탄성체가 더 설치될 수 있다.
밴드부재가 설치되는 엔드 플레이트의 표면에 요홈이 형성된 것이 바람직하다.
복수의 단위셀은 바이폴라 플레이트를 포함하고 복수의 단위셀의 최외곽에는 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트가 위치하며, 상기 엔드 바이폴라 플레이트의 외측에 금속 재질의 집전체가 접촉하고, 집전체의 외측에서 집전체 가압 플레이트가 접촉하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태에 의한 흐름식 에너지 저장장치는, 복수의 단위셀이 겹쳐진 흐름식 에너지 저장장치로서, 복수의 단위셀; 복수의 단위셀 양단에 위치하는 집전체; 상기 집전체의 외측에 접촉하여 위치하는 집전체 가압 플레이트; 상기 집전체 가압 플레이트의 외측에 위치하는 엔드 플레이트; 상기 엔드 플레이트플 포함하는 셀스택을 감싸서 고정하는 하나 이상의 밴드부재; 및 상기 엔드 플레이트를 관통하여 설치되는 하나 이상의 가압볼트를 포함하며, 상기 가압볼트는 헤드가 상기 엔드 플레이트의 외측에 위치하여, 가압볼트를 조이면 헤드 반대편의 단부가 상기 집전체 가압 플레이트를 가압하고, 집전체 가압 플레이트가 집전체를 가압하는 것을 특징으로 한다.
가압볼트의 헤드 반대편 단부와 집전체 가압 플레이트의 사이에, 가압볼트의 단부보다 면적이 넓은 가압판이 위치하는 것이 바람직하다.
엔드 플레이트와 집전체 가압 플레이트의 사이에 탄성체가 더 설치될 수 있다.
밴드부재가 설치되는 엔드 플레이트의 표면에 요홈이 형성된 것이 바람직하다.
복수의 단위셀은 바이폴라 플레이트를 포함하고 복수의 단위셀의 최외곽에는 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트가 위치하며, 상기 엔드 바이폴라 플레이트의 외측에 금속 재질의 집전체가 접촉하고, 집전체의 외측에서 집전체 가압 플레이트가 접촉하는 것이 바람직하다.
특히 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트를 사용한 흐름식 에너지 저장장치는 강산을 지지전해질로 사용하는 레독스 흐름전지일 수 있다. 강산을 지지전해질로 사용하는 레독스 흐름전지는 전해질이 금속 재질의 집전체에 접촉하지 않도록 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트를 사용하며, 이 경우 집전체와 엔드 바이폴라 플레이트 사이에 접촉 불량이 발생할 가능성이 높지만 본 발명은 가압 볼트와 집전체 가압 플레이트를 적용하여 집전체와 엔드 바이폴라 플레이트의 접촉을 양호하게 한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 셀스택을 체결하기 위한 전산볼트를 사용하지 않음으로써, 셀스택을 제작하는 비용을 줄일 수 있고 셀스택을 관통하여 전산볼트를 형성하는 경우에 발생되는 전해액 누수에 따른 단락의 문제가 발생하지 않는 효과가 있다.
본 발명은 부피가 크고 공간을 많이 차지하는 전산볼트를 사용하지 않음으로써, 전극의 반응 면적을 증가시켜서 셀스택의 부피 및 무게당 출력 밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 전산볼트를 대신하여 밴드부재를 사용하기 때문에, 전산볼트의 체결 및 해체에 필요한 시간이 감소하여 생산성이 향상될뿐만이 아니라 유지 보수 효율도 높아지는 효과가 있다.
또한 본 발명은 가압 볼트와 집전체 가압 플레이트에 의한 가압 구조에 의해서 금속 재질의 집전체와 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트의 접촉면적을 증가시킴으로써, 접촉저항을 줄일 수 있으며 그에 따른 전압 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가 본 발명은 접촉면적을 넓혀서 전체적으로 접촉되도록 함으로써, 기존 구조에서 불균일한 접촉에 따른 국부적인 전류 집중 현상을 방지하여 바이폴라 플레이트 및 펠트 전극의 부식을 방지하여 셀 스택의 안전성을 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조를 설명하기 위한 셀스택의 분해도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조를 적용하여 체결된 셀스택을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조를 적용하기 위해 엔드플레이트에 홈이 형성된 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 집전체와 바이폴라 플레이트 접촉면적에 따른 단위셀의 전압효율 및 저항값을 도시한 그래프이다.
도 5는 충방전 사이클을 진행한 뒤에 측정된 집전체와 바이폴라 플레이트 접촉면적에 따른 단위셀의 임피던스를 도시한 그래프이다.
도 6은 다양한 전류밀도에서 집전체와 바이폴라 플레이트 접촉면적 변화에 따른 단위셀 에너지효율을 측정한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 단위셀에 대한 방전용량을 측정한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 단위셀에 대한 여러 가지 효율을 측정한 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 단위셀에 대한 저항값을 측정한 결과이다.
도 10은 일반적인 레독스 흐름전지에서 셀스택을 체결하는 구조를 도시한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조를 설명하기 위한 셀스택의 분해도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조를 적용하여 체결된 셀스택을 도시한 단면도이다.
도시된 흐름식 에너지 저장장치는 레독스 흐름전지로서, 외부 도선과 연결되는 집전체(60), 전기화학 반응을 일으키는 펠트전극인 양극(6)과 음극(7), 전해액의 흐름 역할을 하는 매니폴드가 포함되어 있는 플로우 프레임인 양극 매니폴드(40)와 음극 매니폴드(50), 각 단위 셀을 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결시키는 바이폴라 플레이트(4), 양극과 음극 전해질의 혼합을 막아주고 선택적으로 이온을 이동시키는 역할을 하는 멤브레인(1)으로 구성된 복수의 단위셀이 적층된다. 이러한 단위셀의 구성은 레독스 흐름전지의 일반적인 구성으로서 이에 한정되는 것은 아니며, 레독스 흐름전지의 경우에도 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 구성요소가 추가될 수 있고, 전기화학 플로우 커패시터와 연료전지의 경우에는 각 장치의 특성에 따라서 일부 구성요소가 달라지거나 추가될 수 있다.
본 실시예에서 셀스택의 체결을 위하여 복수의 셀의 양단에 엔드플레이트(70)가 위치하는 것은 동일하지만, 기존에 전산볼트와 너트를 사용하여 가압 체결하였던 것과는 달리, 밴드부재(30)를 사용하여 장력으로 묶어서 고정하는 점에서 차이가 있다.
밴드부재(30)는 끈 또는 띠 형태로 셀스택의 외부를 감싸서 밴딩하며, 밴드부재(30)의 장력에 의해서 셀스택의 구성요소들이 밀착된 상태로 고정된다.
밴드부재(30)는 하나를 사용할 수도 있고 2개 이상의 복수로 사용할 수도 있으며, 셀스택 전체에 고르게 힘을 가하기 위해서는 복수의 밴드부재를 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 밴드부재(30)를 고정한 뒤에 밴드부재(30)가 설체된 위치가 움직이면 장력에 변화가 생길 수 있기 때문에 밴드부재(30)가 설치되는 위치가 중요하며, 밴드부재(30)가 정확한 위치에 설치되어 일정한 위치에 고정되어야 한다.
이를 위하여 본 실시예에서는 밴드부재(30)가 고정되는 오목한 요(凹)홈을 엔드 플레이트(70)에 형성하였다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조를 적용하기 위해 엔드플레이트에 홈이 형성된 모습을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 형태는 밴드부재(30)가 소정의 폭을 가지는 띠 형태인 경우에 적용될 수 있도록 소정의 폭을 가진 홈을 형성하였으며, 밴드부재(30)의 폭에 따라서 홈의 폭을 맞추어 제작함으로써 밴드부재(30)가 정확한 위치에 설치되어 고정되도록 한다.
한편, 밴드부재(30)의 양단을 고정하는 방법은 묶어서 고정하거나 끼워서 고정할 수도 있고, 별도의 고정장치를 추가하여 고정할 수도 있는 등 구체적인 방법은 제한되지 않는다. 또한, 밴드부재(30)의 재질도 셀스택을 고정할 수 있는 재질이 모두 적용될 수 있다.
셀스택을 묶어서 고정하는 경우, 셀스택을 고정하는 것과 함께, 지속적으로 가압하는 상태가 되어야 하므로, 종래에는 끈을 묶어서 조이기 위한 별도의 조임기구를 적용(대한민국 등록특허 10-0997173)하거나 강선로프의 장력을 조절할 수 있는 체결장치를 적용(대한민국 등록특허 10-1550596)함으로써, 구조가 복잡하기 때문에 체결과정이 불편하고 잦은 고장의 원인이 되었다.
하지만 본 발명은 엔드플레이트에 별도의 가압을 위한 구조를 적용함으로써, 밴드부재(30)의 재질과 고정을 위한 구조 등이 제한되지 않고 가능한 모든 구조를 적용할 수 있다.
본 실시예에서는 강산을 지지전해질로 사용하고 있는 레독스 흐름전지의 특징에 따라서 전해액이 직접 닿는 부분에 설치되는 탄소소재 또는 그래파이트 재질인 엔드 바이폴라 플레이트(110)와 이에 접촉하여 외부 도선과 연결되는 금속판 형태의 집전체(60)를 함께 사용하였다. 내산성, 내화학성, 전기화학적 안정성이 뛰어난 엔드 바이폴라 플레이트(110)와 기계적 강도 및 전도성이 높은 집전체(60)를 함께 사용하는 구성에서는, 엔드 바이폴라 플레이트(110)와 집전체(60)의 불균일한 접촉이 발생하여 셀스택의 저항을 증가시킨다. 또한, 엔드 바이폴라 플레이트(110) 및 탄소펠트 전극의 두께가 균일하지 않을 경우 국부적으로 접촉이 단절될 수 도 있으며, 이러한 불균일한 접촉은 셀스택의 저항을 증가시킨다. 이러한 저항으로 인해 고전류밀도의 충방전에 어려움이 발생되며, 셀스택의 출력을 떨어 뜨려 출력밀도를 감소시키게 된다. 그리고 스택의 충방전시 국부적으로 전류가 흐르게 되어 탄소소재의 일부분에 과도한 전류가 흐르게 되고 이로 인해 탄소소재의 탄화 및 부식이 발생되고 열이 발생되어 스택의 수명 및 안전성에 위협이 된다.
본 실시예에서는 이러한 불균일한 접촉에 따른 문제를 개선하기 위하여 집전체 가압 플레이트(130)를 엔드 플레이트(70)의 내부에 추가하였고, 집전체 가압 플레이트(130)가 집전체(60)를 가압하도록 엔드 플레이트(70)를 관통하여 설치되는 가압볼트(140)를 추가하였다. 가압볼트(140)는 헤드가 셀스택의 외부에 위치하고 반대편 끝은 셀스택 내부에서 집전체 가압 플레이트(130) 접촉한다. 따라서 외부에서 가압볼트(140)를 조이면 내부에서 집전체 가압 플레이트(130)를 밀게되고, 집전체 가압 플레이트(130)가 집전체(60)를 전체적으로 가압하여 집전체(60)와 엔드 바이폴라 플레이트(110)의 접촉면적을 안정적으로 확보하며, 나아가 엔드 바이폴라 플레이트(110)와 펠트전극 사이의 접촉면적도 안정적으로 확보할 수 있다.
가압볼트(140)는 양쪽 엔드 플레이트(70) 각각에 한 개 이상 설치되며, 가압볼트(140)의 단부와 집전체 가압 플레이트(130)의 사이에는 접촉면적을 늘려서 가압 효율을 높일 수 있도록 가압볼트(140)의 단부보다 면적이 넓은 가압판(120)을 추가하였다.
또한 스프링 등의 탄성체(150)를 추가 배치하여 유체의 맥동에 따른 충격을 흡수하는 동시에 탄성력에 의해서 지속적인 가압이 수행되도록 구성할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 체결구조에 의해서 충분한 고정과 출력 밀도를 나타낼 수 있는지 효과를 확인한다.
우선 엔드 바이폴라 플레이트와 집전체의 불균일한 접촉에 따른 문제점을 확인하는 실험을 수행하였다.
종래의 전산볼트를 이용한 체결구조를 가지는 레독스 흐름전지 단위셀을 제작하고, 탄소 재질의 바이폴라 플레이트와 구리 재질의 집전체 사이에 다양한 크기의 절연 가스켓을 적용하여 바이폴라 플레이트와 집전체의 접촉 면적을 다르게 구성하였다.
단위셀에 사용된 전극은 친수성 처리된 탄소펠트전극을 사용하였으며, 멤브레인은 듀퐁社의 양이온 교환막인 Nafion 115를 사용하였다. 전해액은 펠트를 고정하는 매니폴드에 양극 및 음극 각각 1 mL씩 주입후 충방전을 진행하였다. 충방전시 전압 범위는 상한전압 1.6 V, 하한전압 0.8 V로 진행하였으며, 전류밀도는 10 mA/cm2로 1사이클 진행후 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 mA/cm2로 각각 5사이클 진행하였다.
도 4는 집전체와 바이폴라 플레이트 접촉면적에 따른 단위셀의 전압효율 및 저항값을 도시한 그래프이다. 도 5는 충방전 사이클을 진행한 뒤에 측정된 집전체와 바이폴라 플레이트 접촉면적에 따른 단위셀의 임피던스를 도시한 그래프이고, 도 6은 다양한 전류밀도에서 집전체와 바이폴라 플레이트 접촉면적 변화에 따른 단위셀 에너지효율을 측정한 결과이다.
집전체의 접촉면적이 100%, 90%, 80%, 70%, 60%로 변경하면서 실험을 수행한 결과, 집전체와 바이폴라 플레이트 사이의 접촉면적이 감소할수록 저항이 증가하였으며, 그에 따른 전압효율이 감소함을 확인 할 수 있었고, 그에 따른 에너지 효율역시 감소함을 확인 할 수 있었다.
특히 집전체와 바이폴라 플레이트 사이의 접촉면적이 60% 이하일때는 저항으로 인해 충방전이 이루어지지 않았으며, 접촉면적이 100%에서 60%로 감소할 때 고 전류밀도에서 충방전이 이루어지지 않는 것을 확인하였다.
바이폴라 플레이트와 집전체의 접촉이 불균일하여 접촉 면적이 감소하면 레독스 흐름전지의 에너지 효율이 감소하며, 접촉면적이 60% 이하로 감소하면 고전류밀도에서는 충방전 진행되지 않는 문제가 있는 것을 확인하였다.
다음으로 밴드부재를 사용하여 고정된 레독스 흐름전지 단위셀을 제작하였다. 이때, 비교를 위하여 본 발명에 따른 가압볼트와 집전체 가압 플레이트를 사용한 가압구조를 적용한 경우(sample 1 또는 S1)와 가압볼트와 집전체 가압 플레이트를 사용한 가압구조를 적용하지 않은 경우(sample 2 또는 S2) 두가지 형태로 단위셀을 제작하였다.
단위셀에 사용된 전극은 친수성 처리된 탄소펠트전극을 사용하였으며, 멤브레인은 듀퐁社의 양이온 교환막인 Nafion 115를 사용하였다. 전해액은 펠트를 고정하는 매니폴드에 양극 및 음극 각각 1 mL씩 주입후 충방전을 진행하였다. 충방전시 전압 범위는 상한전압 1.6 V, 하한전압 0.8 V로 진행하였으며, 전류밀도는 10 mA/cm2로 1사이클 진행후 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 mA/cm2로 각각 5사이클 진행하였다.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 단위셀에 대한 방전용량을 측정한 결과이고, 도 8은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 단위셀에 대한 여러 가지 효율을 측정한 결과이며, 도 9는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 단위셀에 대한 저항값을 측정한 결과이다.
도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따라서 가압볼트와 집전체 가압 플레이트에 의한 가압구조를 적용한 경우에 낮은 저항값을 보이고 방전용량이 높았으며, 각종 효율에서 더 뛰어난 결과를 나타내었다.
이러한 결과는 앞서 확인한 것과 같이, 바이폴라 플레이트와 집전체의 접촉이 균일한지 여부에 따른 결과인 것으로 유추할 수 있다. 구체적으로 단순히 밴드부재만을 사용하는 경우에는 (엔드) 바이폴라 플레이트와 집전체 사이의 접촉이 불균일하지만, 가압볼트와 집전체 가압 플레이트에 의한 가압구조를 적용하면 (엔드) 바이폴라 플레이트와 집전체 사이의 접촉이 균일해지면서 효율이 향상된다.
결국 본 발명의 체결구조를 적용하면 밴드부재를 사용하여 적층이 용이하면서도 공간활용이 뛰어난 흐름식 에너지 저장장치를 구성할 수 있고, 나아가 가압 볼트와 집전체 가압 플레이트에 의한 가압 구조에 의해서 출력밀도가 향상된 흐름식 에너지 저장장치를 구성할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 멤브레인
4 : 바이폴라 플레이트
6 : 양극(펠트 전극)
7 : 음극(펠트 전극)
10 : 너트
15 : 스프링
20 : 전산볼트
30 : 밴드부재
40 : 양극 매니폴드(플로우 프레임)
50 : 음극 매니폴드(플로우 프레임)
60 : 집전체
70 : 엔드 플레이트
80,81 : 양극&음극 전해액 주입구 및 배출구
110 : 엔드 바이폴라 플레이트
120 : 가압판
130 : 집전체 가압 플레이트
140 : 가압볼트
150 : 탄성체

Claims (11)

  1. 복수의 단위셀이 겹쳐진 흐름식 에너지 저장장치 셀스택을 체결하는 구조로서,
    복수의 단위셀 양단에 위치하는 엔드 플레이트;
    상기 엔드 플레이트플 포함하는 셀스택을 감싸서 고정하는 하나 이상의 밴드부재;
    상기 엔드 플레이트 내측에 위치하며 안쪽의 집전체에 접촉하는 집전체 가압 플레이트; 및
    상기 엔드 플레이트를 관통하여 설치되는 하나 이상의 가압볼트를 포함하며,
    상기 가압볼트는 헤드가 상기 엔드 플레이트의 외측에 위치하여, 가압볼트를 조이면 헤드 반대편의 단부가 상기 집전체 가압 플레이트를 가압하고, 집전체 가압 플레이트가 집전체를 가압하는 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압볼트의 헤드 반대편 단부와 상기 집전체 가압 플레이트의 사이에, 가압볼트의 단부보다 면적이 넓은 가압판이 위치하는 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔드 플레이트와 상기 집전체 가압 플레이트의 사이에 탄성체가 설치된 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 밴드부재가 설치되는 상기 엔드 플레이트의 표면에 요홈이 형성된 것을 특징으로 하는 저장장치 셀스택의 체결구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    복수의 단위셀은 바이폴라 플레이트를 포함하고, 복수의 단위셀의 최외곽에는 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트가 위치하며,
    상기 엔드 바이폴라 플레이트의 외측에 금속 재질의 집전체가 접촉하고, 집전체의 외측에서 집전체 가압 플레이트가 접촉하는 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치 셀스택의 체결구조.
  6. 복수의 단위셀이 겹쳐진 흐름식 에너지 저장장치로서,
    복수의 단위셀;
    복수의 단위셀 양단에 위치하는 집전체;
    상기 집전체의 외측에 접촉하여 위치하는 집전체 가압 플레이트;
    상기 집전체 가압 플레이트의 외측에 위치하는 엔드 플레이트;
    상기 엔드 플레이트플 포함하는 셀스택을 감싸서 고정하는 하나 이상의 밴드부재; 및
    상기 엔드 플레이트를 관통하여 설치되는 하나 이상의 가압볼트를 포함하며,
    상기 가압볼트는 헤드가 상기 엔드 플레이트의 외측에 위치하여, 가압볼트를 조이면 헤드 반대편의 단부가 상기 집전체 가압 플레이트를 가압하고, 집전체 가압 플레이트가 집전체를 가압하는 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가압볼트의 헤드 반대편 단부와 상기 집전체 가압 플레이트의 사이에 가압볼트의 단부보다 면적이 넓은 가압판이 위치하는 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔드 플레이트와 상기 집전체 가압 플레이트의 사이에 탄성체가 설치된 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 밴드부재가 설치되는 상기 엔드 플레이트의 표면에 요홈이 형성된 것을 특징으로 하는 저장장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    복수의 단위셀은 바이폴라 플레이트를 포함하고, 복수의 단위셀의 최외곽에는 탄소 재질의 엔드 바이폴라 플레이트가 위치하며,
    상기 엔드 바이폴라 플레이트의 외측에 금속 재질의 집전체가 접촉하고, 집전체의 외측에서 집전체 가압 플레이트가 접촉하는 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 흐름식 에너지 저장장치가 강산을 지지전해질로 사용하는 레독스 흐름전지인 것을 특징으로 하는 흐름식 에너지 저장장치.
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