KR970005464B1 - 막 유동 셀 배터리 - Google Patents

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더블류. 타운센드 칼
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휴우즈 에어크라프트 캄파니
완다 케이. 덴슨-로우
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Abstract

내용 없음.

Description

막 유동 셀 배터리
제1도는 본 발명에 따른 적층된 일련의 막 셀 및 단일의 전극 쌍을 도시하는 예시적인 막 유동 셀 배터리의 선도.
제2도는 본 발명에 따른 펌프 및 저장 탱크를 포함하는 전압 발생 시스템의 개략도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 12, 14 : 막 유동 셀 11 : 산성 전해질 입구
16 : 산성 액체 유동 통로 20 : 음이온 막
22 : 양이온 표현 24 : 2중층 막
44 : 캐소드 격실 46 : 애노드 격실
48 : 연료 셀 캐소드 50 : 연료 셀 애노드
본 발명은 전위를 발생하기 위한 이온 막 유동(membrane flow) 셀 배터리에 관한 것으로, 특히, 이온 막 유동 셀의 적층 순으로 배치된 이온 막을 통하여 이동하는 이온에 의해 발생되는 막 전위는 단일 전극 쌍에 의해 전류 및 전압으로 변환된다.
전기 자동차 및 우주선 장비를 사용자 로드 레벨링 및 구동하기 위한 전압을 제공하는 배터리는 수십년동안 집중적으로 연구되어 왔다. 특히, 보다 높은 에너지 밀도와 보다 전력 밀도를 갖는 베터리를 제공하기 위한 노력이 기울어져 왔다. 향상된 배터리 에너지 밀도는 배터리 재충전 사이의 차량 구동 거리를 증가시킨다. 한편, 향상된 전력 밀도는 자동차 가속을 향상시키고 고속운전을 제공한다. 그러므로, 전력 구동 기차 모터에 사용되는 배터리는 고 에너지 밀도 및 고전력 밀도에 의해 유익함을 얻는다.
현재 전형적으로 사용되고 있는 전기 자동차 및 다른 구동 기차 모터는 납-산 배터리에 의해 전력이 공급된다. 이들 배터리와 관련된 한가지 문제는 지나친 방전 상태하에서 사용될 때 수명이 제한되는 것이다. 또 한, 이들 배터리의 구성품은 금속이기 때문에 부식되기 쉽다. 또한, 납-산 전압 발생 시스템에 포함된 금속은 배터리의 중량을 가중시킨다.
또한, 납-산 배터리는 다수의 셀을 포함하고, 각 셀에 대해 전극 쌍을 결합한다. 다수의 응용에서, 각 셀에 대해 하나의 전극 쌍을 갖는 다중 셀 배터리는, 예를 들어, 전기 자동차를 구동하기 위해 필요한 전력 및 전류 밀도를 발생하기 위해 필요하다. 납-산 배터리에서, 상당량의 납은 완전히 전류 전도용으로 사용된다. 이 납은 상당한 중량을 가중시키고 유용한 에너지에는 기여를 하지 않는다. 배터리 전극과 관련된 다른 문제는 활성화 분극 및 전자 흐름을 이온 흐름으로 변화하는 과정에 기인하는 전압 손실을 포함한다. 불행히도, 다중 셀 배터리는 다수의 전극 쌍들을 가지므로, 상당한 량의 활성화 분극 및 감소된 수명을 나타낸다. 다수의 전극 쌍이 존재하므로써 배터리 효율을 감소시키고 전력 밀도와 전류 밀도를 감소시킨다.
다중의 무거운 내부 전류 도체가 필요하지 않은 배터리를 제공하는 것이 바람직하다. 활성화 분극량을 감소시킨 내부식성 배터리를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 수용가능한 가속도, 고속 및 긴주행 거리를 갖는 전기 자동차에 충분히 높은 전력 밀도 및 에너지 밀도를 나타낼 수 있고, 수명을 연장시킨 배터리를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 수용가능한 가속, 고속 및 긴 주행 거리를 갖는 전기 자동차에 충분히 높은 전력 밀도 및 에너지 밀도를 발휘할 수 있으면서 활성화 분극을 감소시키고 수명을 증가시킨 저중량 재충전가능한 내부식성 배터리를 제공한다.
본 발명은 2개 이상의 막류 셀이 정렬되어 각각이 액체 흐름 통로 사이에 배치된 일련의 이온 막을 포함하는 막류 셀 적층을 형성할 수 있다는 발견에 기초를 둔다. 하전 입자가 이온 막을 지나 이동하게 하므로써, 액체 유동 통로 내에 충전 불균형이 발생될 수 있고 막 전위를 발생시킨다. 본 발명의 특징으로서, 본 발명의 재충전 가능한 배터리는 막 전위를 전압으로 변환하기 위해 단일의 전극 쌍을 사용한다. 다행히도, 단일 전극 쌍을 결합하는 재충전가능한 다중 셀 배터리를 제공하면, 종래에 필요로하던 각 배터리 셀 당 하나의 전극 쌍을 필요로 하지 않는다. 따라서, 전극 활성화 분극, 내부 전류 도체 및 짧은 수명에 따른 문제는 최소화된다. 또한, 다수의 막 셀이 배터리 내에 적충될 수 있으므로, 본 발명의 배터리는 수용가능한 가속, 속도 및 주행 거리를 갖는 전기 자동차에 충분한 전력 밀도 및 에너지 밀도를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 막 사이의 산성 및 염기성 전해액 유동에 의해 전압을 발생하기 위한 재충전가능한 배터리를 제공한다. 배터리는 각각 액체 유동 통로를 분리하는 다수의 이온막을 포함하는 최소한 2개의 막 유동 셀의 적층을 포함한다. 최소한 하나의 액체 유동 셀은 2중층 막에 의해 분리되는 산성 및 염기성 전해질 유동 통로를 포함한다. 분리된 염 용액 유동 통로는 각 전해질 유동 통로와 인접하게 배치되고, 이온 막에 의해 각 전해질 유동 통로로부터 분리된다.
수소 이온이 수소 가스로 변환되는 캐소드 격실은 유동 셀의 적층의 제1단부에 배치되고 캐소드, 캐소드액 유동 채널 및 인접한 염 용액 유동 통로의 일부를 포함한다. 유사하게, 수소 가스가 전위를 형성하도록 소모되는 애소드 격실은 유동 셀 적층의 제2단부에 배치되고, 애노드, 애소드액 유동 통로 및 인접한 염 용액 유동 통로의 일부를 포함한다. 재충전가능한 배터리의 가장 간단한 구성에서, 상기 언듭된 각 분리된 염용액 유동 통로는 각각 배터리의 애소드 격실 및 배터리 캐소드 격실 부분을 구성한다. 배터리가 2개 이상의 유동 셀을 포함하는 양호하는 실시예에서, 하기한 바와 같이, 분리된 염용기 유동 통로는 인접한 막 유동 셀 부분을 구성한다. 다중 막 유동 셀이 적충되면, 캐소드 격실과 애노드 격실은 상기한 바와 같이 막 유동 셀의 적충 단부에 각각 배치된다.
본 발명에 따르면, 동작시에, 유동하는 산 전해액과 유동하는 염기성 전해액은 전절한 이온 막을 통하여 선택적으로 이동하는 이온 입자를 공급하고, 셀내에 막 전위를 제공하는 전하 불균형을 형성한다. 전극은 전위를 전압 및 전류는 변환된다. 이동하는 전해 이온을 결합하므로써 형성되는 염 용액은 후에 산성 전해액과 염기성 전해액으로 변환하여 배커리에 다시 사용되도록 저장된다.
양호하게, 산성 전해액과 염기성 전해액은 일련의 막 유동 셀로부터 분리되어 외부 저장소에 저장된다. 필요에 따라, 산성 및 염기성 액체는 전기를 발생시키기 위해 적절한 액체 유동 통로로 이동된다. 또한, 염과 용매는 다음에 산성 용액과 염기성 용액의 재생을 위해 저장소로 이동된다. 편리하게도, 재생된 산성 용액과 염기성 용액은 외부 저장소로 펌핑하여 전기 발생을 위해 적절한 액체 유동 통로로 이동된다.
본 발명의 상기 기술된 특징 및 다른 많은 특징과 장점은 첨부된 도면과 결부하여 다음의 상세한 설명을 참고하므로써 양호하게 이해될 것이다.
본 발명의 재층전가능한 배터리는 전기 구동 차량에 사용되는 것들과 같이 전류를 전기 자동차에 공급하도록 특별히 양호하게 맞추어져 있다. 본 발명의 재충전가능한 배터리가 하나 이상의 셀을 포함하고 있지만, 이 배터리는 단일의 전극 쌍만을 결합한다. 각 셀에 대한 전극 쌍의 필요성을 제거함으로써, 본 발명의 재충전가능한 배터리는 중량과 전극 활성화 분극을 최소화시키고, 최종 전압 강화를 최소화시킨다. 또한, 일련의 셀을 적충하면, 배터리 전력 밀도 및 에너지 밀도를 증가시킨다. 본 발명에 의해 제공된 재충전가능한 베터리는 전기 자동차를 구동하도록 특별히 양호하게 맞추어져 있지만, 본 기술에 숙력된 자들은 재충전가능한 배터리가 다수의 응용에서 전압을 전기 부하에 공급하기에 유용하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 배터리는 전기 구동 차량과 함께 사용되는 것에 제한된지 않고, 다른 응용들도 본 발명의 영역내에 포함된다. 예를 들면, 본 발명의 재충전가능한 배터리는 우주선에 사용되는 장비에 전력을 공급하고 사용자 로드레벨링에 적합하다.
제1도는 참조하여 다음을 설명한다. 제1도는 본 발명의 양호한 배터리의 도시적 실시예이다. 제1도의 배터리는 이온 막을 지나 이동하는 이온 전하가 막 전위를 형성하는 3개의 막 유동 셀(10, 12, 14)의 적충을 포함한다. 이들 이온 막은 전형적으로 유도 중합체 막이고, 델라웨어주 윌밍톤의 이.아이. 듀판, 미시건주 미들랜드의 다우 케이컬 및 뉴욕주 하우파우지의 RAI를 포함하는 다수의 공급자들로부터 상업적으로 구득할 수 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 참조 번호(24)로 도시된 2중층 막은 2개의 이온 막의 박편이고 양이 온 막과 음이온 막을 박편화하므로써 형성된다. 이들 2중층막 음이온, 양이온 막은 뉴져지주 화이트 하우스의 리조시스 앤드 테크놀로지 인크. 및 얼라이어드 케미컬 코.로부터 구득할 수 있다.
2개의 중앙 막 유동 셀(10, 12)는 동일하고, 각각 산성 전해질이 음이온 막(20)의 제1표면(18) 및 2중층막(24)의 양이온 표면(22)로 구성되는 산성 액체 유동 통로(16)으로 유입되는 입구(11)을 포함한다. 산성 전해질은 액체 형태이고, 각각의 막 전위 셀 내에서의 작용 액체이다. 적합한 산온 액체이거나 적합한 용매에서 용해될 수 있고, 비산화제인 것이다. 양호하게, 산 전해질은 산과 용매의 용액이다. 적합한 산은 HC1, HBr, HI, HF(HF와 안티몬 펜타플로라이드), 황상, 트리플루오로메탄황산, 카르복실산 및 포스폰산으로 구성되는 그룹에 속하는 산을 포함하고, 피로인산, 아린산 및 인산을 포함하는 히드로할리드산과 같은 다수의 브론스테드산을 포함한다. 전해 용액에 결함하기 위한 적합한 용매는 산에 안정한 용매를 포함한다. 양호하게, 아래에 보다 상세히 설명하겠지만, 용매는 물이다. 제1도의 배터리는 또한 염기성 전해액이 양이온 막(32)의 제1표면(30)과 2중층 막(24)의 음이온 표면(34)로 구성되는 염기성 액체 유동 통로(28)로 유입되는 염기성 전해질 입구(26)을 포함한다. 염기성 전해질은 액체이고, 막 전위 셀 내에서 작용하는 액체이다. 적합한 염기는 액체이거나 적합한 용매에서 용해될 수 있는 염기이고, 비산화제인 것이다. 양호하게, 연기성 전해질은 염기성 화합물과 용매의 용액 형태이다. 따라서, 적합한 염기는 소듐 히드록시드, 포타슘 히드록시드, 소듐 에톡시드 및 소듐 메톡시드를 포함한다. 다음에 보다 상세히 기술하겠지만, 양호한 용매는 물이다.
막 유동 셀(10, 12)는 염 용액이 상기 음이온 막(20)에 제2표면(40) 및 상기 양이온 막(32)의 제2표면(42)로 구성되는 염 용액 유동 통로(38)로부터 전달되는 염 용액 출구(36)을 공유한다. 염 용액은 막 전위셀내의 제3작용액이고 산성 전해질에 의해 공급되는 음이온과 염기성 전해질에 의해 공급되는 양이온의 상호 작용에 의해 형성된다.
제3막 유동 셀(14)에 수소 가스가 연료 셀 캐소드(48)에 의해 발생되는 케소드 격실(44)와 소수 가스가 연료 셀 애노드(50)에 의해 소비되는 애노드 격실(46)이 제공된다. 캐소드(48)과 애노드(50)은 매사츄세츠주 프라밍햄의 E-TEK 인크에 의해 공급되는 것과 같은 소정의 연료 셀 수소 전극으로 될 수 있다.
캐소드 유동 격실(44)는 막 유동 셀의 쌍극성 적층의 한 단부에 배치되고 캐소드 전해액에 캐소드액 유동 통로(56)으로 유입되는 캐소드 전해질 입구(54)를 포함한다. 캐소드 음이온 막(58)은 양이온 막(32)와 인접하게 배치된 염 용액 유동 통로(60)으로부터 캐소드액 유동 통로(56)을 분리한다.
수소가 제1수소 유동 통로(63)으로부터 유동되는 수소 출구(61)은 연료 셀 캐소드(48)과 제1배터리 종판(80)에 의해 형성된다.
애노드 유동 격실(46)은 막 유동 셀의 쌍극설 적층의 제2단부에 배치되고 애노드 전해액이 애노드액 유동 통로(66)으로 유입되는 애노드 전해질 입구(64)를 포함한다. 애노드 양이온 막(68)은 음이온 막(20)에 인접하게 배치되는 염 용액 유동 통로(70)으로부터 애노드액 유동 통로(66)을 분리한다. 수소가 제2수소 유동 채널(84)로 유입되는 수소 입구(82)는 연료 셀 애노드(50)과 제2배터리 종판(86)사이에 끼워진다.
상기 설명 및 제1도의 예시된 바로부터, 유동 통로(60)의 염 용액은 막 유동 셀(10)과 캐소드 격실의 작용액이다. 유사하게 유동 통로(70)의 염 용액은 막 유동 셀(12)와 애소드 격실의 작용액이다. 염 용액이 인접 접충된 유동 셀에 대한 작용액인 3개의 이상의 막 유동 셀의 적층을 제공하는 것도 본 발명의 영역내에 있는 것으로 간주한다. 다른 배터리 구성품에는 전극에서 전하를 수집하기 위해 각각 캐소드(48)과 애노드(50)상에 배치된 도전성 전류 수집기 스크린(72, 74)가 포함된다. 종판(80 및 86)은 배터리의 외부 벽을 형성하고, 각각 정단자 및 부단자로서 역할을 한다. 유리하게도, 본 발명의 배터리는 종판 및 도전성 전류 수집기 스크린만이 금속부로 되도록 제조될 수 있다. 막 유동 셀 내에는 전류가 흐르지 않기 때문에, 셀은 저 중량의 중합체 물질로 제조될 수 있다. 이것은 셀내의 부식을 최소화하고 저밀도의 저중량 배터리를 제공한다.
기본적으로, 동작시에, 본 발명의 배터리는 전해액에 의해 제공되는 이온을 선택된 이온 막을 통하여 이동하게 하므로써 전류를 공급한다. 이 이동은(제1도에 파선 수평 화살표로 나타남) 유동 셀내의 전하 불균형을 발생한다. 전하 불균형은 전극에서의 반응에 의해 전위 및 전류로 변환되는 막 전위를 발생한다. 이온을 공급하는 산과 염기의 반응에 의해 형성되는 용매와 염을 셀로부터 제거되고 다음에 사용하기 위해 산성 및 염기성 성분으로 재생될 수 있다. 유사하게, 사용후 산성 전해질 및 사용후 염기성 전해질은 셀로부터 제거되고 다음에 사용하기 위해 재생된다. 이상적인 환경에서, 산성 및 염기성 액체가 완전히 소모되면, 사용후 셀의 산출물로서 염 용액만을 남긴다.
양호하게, 본 발명의 막 유동 셀 배터리는 작용액과 수소를 이동시키기 위해 사용되는 저장소, 펌프 및 밸브의 세스템과 결합하여 동작된다. 예시적인 시스템이 제2도에 개략적으로 도시되어 있고, 제1도와 유동 셀 배터리를 참조번호(112)로 도시하고 있다. 다음은 전압을 발생하기 위해 산성 전해액 및 염기성 전해액으로 각각 동일한 몰수의 황산수와 수산화 나트륨수를 사용하는, 제1도의 배터리와 함께 동작하는 제2도의 시스템을 기술하고 있다. 제1도 및 제2도를 참조하면, H+와 H2PO4 -로 이온화될 수 있는 농축된 H3PO4수가 필요에 따라 입구(11, 54)를 통해 저장소(110)으로부터 액체 유동 통로(16, 56)로 각각 펌프된다. 동시에, Na+와 OH-로 이온화될 수 있는 NaOH수와 같은 적합한 염기성 전해질이 염기성 전해질 저장소(114)로부터 입구(26, 64)를 통해 액체 유동 통로(28, 66)으로 각각 펌프된다.
액체 유동 통로(28, 66)내의 히드록시이온(OH)은 2증층 막(24)의 음이온 표면 막(34)를 통해 이동하고, 양성자(H+)는 2중층 막(24)의 양이온 표면(22)를 통해 이동한다. 경계면(23)에서 물과 막 전위를 H+와 OH-의 상호 작용에 의해 형성된다. 이들 이동 및 2중층 막(24)에서의 물과 막 전위의 형성은 동시에 Na+이온들이 양이온막(32)를 통해 밀어내지는 액체 유동 통로(28)내에 전하 불균형을 일으킨다. 유사하게, 액체 유동 통로(16)내의 최종 전하 불균형은 H2PO4 -이온이 음이온 막(20)을 통해 밀어내지게 한다. NaH2PO4의 형태의 염은 양이온 막(32)와 음이온 막(20)을 통한 이온 이동의 결과로서 유동 채널(38)에서 형성된다. 따라서, 순수 셀 반응은 다음과 같다.
산+염→염+물+막 전위
또는
H3PO4+NaOH→NaH2PO4+H2O+막 전위
캐소드(48)과 애노드(50)은 막 전위를 전류로 변화하기 위해 사용된다. 전극은 단일 쌍의 수소 전극의 형태이고, 제1도에 도시된 막 유동 셀의 쌍극성 적층의 한 다눕에 배치된다. 케소드 반응은 다음과 같다.
1/2 H++e-→1/2 H2
캐소드에서 발생한 수소 가스는 수소 출구(63)을 통해 액체 통로(61)로부터 제2도의 이송 라인(131, 132)에 이송된다. 수소 입구(84)는 이송 라인으로부터 수소를 다음 반응에서 애노드(50)에서 소모되는 액체 통로(82)로 이동시킨다 :
1/2 H2+OH-→H2O+e-
이 반응에 의해 발생된 전류는 참조번호(126)으로 표시된 전기 차량 또는 장비에 전력을 공급하기 위해 시스템으로부터 이동된다. 사용후 염기성 전해액은 유동 통로(28, 64)로부터 제거되어 양호하게 라인(144)를 통해 염기 저장소(114)로 재순환된다. 사용후 산은 라인(124)를 통해 베터리 셀(112)에서 유동한다. 사용후 산은 라인(128)을 통해 산성 전해액 저장소(110)으로 양호하게 이송된다. 염 용액은 라인(148)을 통해 채널(60, 70 및 38)로부터 양호하게 수집되어 다음의 사용을 위해 탱크(115)에 저장된다. 수소는 참조번호(130)에서 시스템으로부터 제거되어 애노드(50)에서 소모하기 위해 라인(132)를 통해 수소 재생 시스템으로 재순환되고, 밸브(140) 및 라인(143)을 통해 셀(112)로 북귀한다. 밸브(138)은 라인(132) 및 탱크(110, 114 및 115)내에서 압력을 제거하기 위해 설치된다. 압력계(134, 136)은 수소 재생 라인 내에서 압력을 감시하기 위해 설치된다.
본 발명의 유동 셀 배터리(112)는 펌프(116, 118)을 역회전시켜 재충전될 수 있다. 각 액체 유동 통로에서 액체 유동 방향을 역전시키고 셀에 전류를 인가하여, 막 셀의 반응을 역전시킨다. 따라서, 염과 물은 원래의 산성 전해액과 염기성 전해액으로 변환된다. 배터리는 재충전하기 위한 선택적 방법에는 셀 액체 유동 통로와 탱크로부터 액체를 제거하여 새로운 액체를 시스템내로 유입하는 것을 포함한다. 이 후자의 방법은 전해질 재충전을 위해 몇시간씩 필요하지 않고 재충전을 완료하기 위해 단 몇분만이 필요하기 때문에 양호하다. 이 양호한 방법에서, 동작 중에, 사용후 산과 염기 용액은, 상기 기술되고 제2도에 도시된 바와 같이 각 산성 및 염기성 전해질 저장소로 재순환된다. 모든 새로운 전해질이 소모되었을 때, 저장소(112, 114 및 115)는 각 사용후 용액으로 충만된다. 시스템을 재충전하기 위해, 밸브(145)는 저장소(110)으로부터 사용후 산 용액을 드레인하고 새로운 산성 전해질로 저장소(110)을 채우기 위해 설치된다. 유사하게, 밸브(146)은 저장소(114)로부터 사용후 염기 용액을 드레인하고 새로운 염기성 전해질로 저장소(114)를 채우기 위해 설치된다. 밸브(152)는 탱크(115)로부터 염 용액을 드레인하기 위해 설치된다. 사용후 전해질은 폐기하거나 다음에 사용하기 위해 저장된다. 재충전 시간을 연장할 수 있을 때, 사용후 전해질은 시스템으로 복귀될 수 있고 새로운 상태로 다시 재충전된다.
상기 기술된 저장소, 펌프 및 밸브의 시스템은 새로운 산성 및 염기성 전해질 셀 유동 통로로 유입될 수 있는 한, 본 발명의 유동 샐 막 배터리가 전기를 발생할 수 있게 하는 수단을 제공한다. 따라서, 저장소(110, 114)의 크기를 샐(112)에 의해 발생되는 에너지를 부분적으로 결정한다. 3리터 정도의 산성 전해질을 갖는 산성 저장소는 각 킬로와트-와우어(Killowatt-hour)의 에너지 저장에 대해 2리터 정도의 염기성 전해질 용량을 갖는 염기성 전해질 저장소와 결합되어 사용된다.
셀(112)에 의해 발생되는 전력 및 전압에 기여하는 다른 요인은 셀내에 결합된 막 유동 셀의 수이다. 제3도는 2개의 막 유동 살의 적층을 포함하는 셀 및 2개의 단부 전극 격실에 의해 제공되는 한 다른 셀을 포함하는 셀을 도시하고 있다. 그러나, 다수의 유동 셀을 갖는 유동 셀 배터리를 제공하는 것을 본 발명의 영역내에 있다. 다수의 유동 셀의 적층을 제공하므로써, 다음에 더 큰 전압 및 전력을 제공하는 더 큰 총 막전위가 형성된다. 실제로 발생된 전압과 전류 및 전력 밀도는 연장된 시간동안 정상 속도 및 가속도로 전기 자동차에 충분한 전력을 공급할 수 있다.
또한, 각 셀에 대해 전극 쌍을 제거하므로써, 각 쎌에 대한 수소 전극과 관련된 비용이 상당히 감소된다. 전극의 수를 감소시키면, 배터리의 중량을 감소시키고 부식 생성 요소를 줄일 수 있다.
염기성 전해액과 산성 전해액의 선택은 배터리에 의해 발생되는 에너지 밀도 및 전력 밀도에 기여한다. 고도의 순수한 형태로 사용될 수 있는 산과 염기가 보다 효율적으로 사용된다. 또한, 고도로 농축된 용액을 형성하는 산과 염기는 더 큰 전하 밀도를 제공하고 더 큰 막 전위를 발생한다. 마지막으로, 강 산 및 염기는 셀 전압을 최대화하는데에 양호하다.
유사하게, 산성 및 염기성 전해액을 형성하기 위해 사용되는 용매는 양호하게 고도의 순수한 산 및 염기의 농축된 용액을 형성할 수 있다. 또한, 산, 염기 및 용매에 의해 형성된 약체는 양호하게 샐의 전력 밀도를 최대화하도록 하고 이온 전도성을 갖는다.
종래 기술에 숙련된 자들은 H3PO4, NaOH, NaH3PO4수용액을 포함하는 작용액이 고농축 형태로 전해액 및 순수 성분의 염 용액을 제공하고, 특히 본 발명의 배터리에서 작용액으로 적합하다는 것을 이해할 것이다. 실제로 H3PO4와 NaOH 수용액을 사용하는 관련 배터리는 940mV의 셀 전압과 킬로그램당 100와트-아우어의 액체 에너지 밀도를 발생하는 것으로 도시되어 있다.
물의 본 발명의 배터리에 사용되는 전해액을 형성하기 위한 특히 적합한 용매이지만, 고 전압은 비수성 용매를 사용하여 달성된다. 예를들어, 에타놀로 용해된 소듐 에톡시드는 소듐 히드록시드보다 더 강한 염기 성을 나타낸다. 용매인 물이 제거되면, 일반화된 유동 막 셀 반응은 다음과 같다.
산+염기 → 염+비수성 용매
용매+막 전위
비수성 용매 배터리 시스템에 대해, 캐소드 반응은 전술한 바와 동일한 반응이다. 그러나, 애노드 반응은 다음과 같다.
1/2 H2+비수성 용매 음이온 → 비수성 용매+e+
상기한 바에 비추어, 본 발명은 농축된 H3PO4수용액의 산성 전해액 및 농축된 NaOH의 염기성 전해액에 대하여 기술하고 있지만, 넓은 범위의 작용액 뿐만 아니라 셀 형태로 가능하다. 종래 기술에 숙련된 자들은 전해액과 적층내에 막 셀의 수의 변경이 배터리에 의해 발생되는 전력 밀도 및 전류 밀도를 변경한다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예를 기술하였지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들은 상기 개시한 내용이 예시적일 뿐이고, 다수의 변경, 응용 및 개정이 본 발명의 영역 내에서 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 기술된 특정 실시예에 제한되지 않고, 첨부된 특허 청구의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (12)

  1. 이온 막 사이의 액체 유동 통로에서 산성 전해액과 염기성 전해액의 유동에 의해 전위를 발생하기 위한 재충전가능한 배터리에 있어서, a) 산성 전해질이 음이온 막의 제1표면과 2중층 막의 제1표면으로 구성되는 산성 액체 유동 통로로 유입되는 산성 전해질 입구, 염기성 전해질이 양이온 막의 제1표면 및 2중층 막의 제2표면으로 구성되는 염기성 액체 유동 통로로 유입되는 염기성 전해질 입구 및 염 용액이 상기 음이온 막의 제2표면 및 상기 양이온 막의 제2표면으로 구성되는 염 용액 액체 유동 통로로부터 이송되는 염 출구를 포함하고, 상기 이온 막을 통하여 이동하는 이온 전하가 막 전위를 형성하는 하나 이상의 막 유동 셀의 쌍극성 적층, b) 캐소드 전해액이 캐소드 음이온 막 및 연료 셀 캐소드로 구성되는 캐소드액 유동 통로로 유입되는 캐소드 전해질 입구 및 수소가 상기 연료 셀 캐소드 및 베1배터리 종판으로 구성되는 제1수소 유동 통로로부터 유동하는 수소 출구를 포함하고, 수소 가스가 상기 막 전위로부터 발생되고 상기 쌍극성 적층의 한 단부에 배치되는 캐소드 유동 격실, c) 애노드 전해액이 애노드 양이온 막 및 연료 셀 애노드로 구성되는 애노드액 유동 통로로 유입되는 애노드 전해질 입구 및 수소가 상기 애노드 및 제2배터리 종판으로 구성되는 수소 유동 통로로 유입되는 수소 입구를 포함하고, 수소가 소모되어 상기 전압을 형성하고 상기 쌍극 적층의 제2단부에 배치되는 애노드 유동 격실, d) 상기 수소 출구로부터 수소를 상기 수소 입구로 이송하기 위한 수단 및 e) 재충전가능한 배터리로부터 전기 부하에 상기 전위를 전송하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상시 쌍극성 적층이 다수의 상기 막 유동 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2중층 막이 음이온 막 층 및 양이온 막 층을 포함하는 박편인 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1배터리 종판이 배터리의 정 단자인 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2배터리 종판이 배터리의 부 단자인 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 및 상기 애노드가 각각 도전성 전류 수집기 스크린을 포함하는 것을 특징으로 한느 재충전가능한 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산성 전해액이 인산수(H3PO4)인 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리.
  8. 제1항에 있어서, 상기 염기성 전해액이 소듐 히드록시드(NaOH)수인 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 염 용액이 소듐 인산수의 단염기(NaH2PO4)인 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리.
  10. 막 유동 셀내의 막 전위를 발생하고 막 전위를 전위로 변환하므로써 전위를 발생하기 위한 방법에 있어서, 2개 이상의 이온 막 유동 셀의 쌍극성 적층, 이 쌍극성 적층의 제1단부의 연로 셀 캐소드 및 상기 쌍극성 적층의 제2단부의 연료 셀 애노드를 갖는 배터리를 제공하는 단계, 산성 전해질 이온 및 염기성 전해질 이온이 유동 셀 이온 막을 통해 선택적으로 이동하고, 막 전위, 염 용액, 사용후 산성 전해질 및 사용후 염기성 전해질을 제공하도록 반응하되, 산성 전해액이 상기 이온 막 유동 셀로 들어가게 하고 동시에 염기성 전해액이 상기 이온 막 유동 셀로 들어가게 하는 단계, 상기 연료 셀 캐소드에서 발생한 수소를 수소가 전위를 제공하도록 소모되는 상기 연료 셀 애노드로 이송하는 단계 및 상기 애노드로부터의 상기 전위를 전기 부하로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 막 유동 셀 배터리가 사용후 산성 젼해액 유동 방향을 역전시키고 사융후 염기성 액 유동 방향을 역전시키며, 염 용액 유동 방향을 역전시키고 전류를 상기 막 유동 셀에 인가하여 상기 염 용액이 산성 전해액 및 염기성 전해액을 형성하게 하므로써 재충전되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 막 유동 셀 배터리가 상기 액체 유동 통로로부터 상기 사용후 산성 전해액, 상기 사융후 염기성 전해액 및 상기 염 용액을 제거하고 새로운 산성 전해액 및 새로운 염기성 전해액을 상기 막 유동 셀내로 유입하므로써 재충전되는 것을 특징으로 하는 방법.
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Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5496659A (en) * 1992-10-14 1996-03-05 National Power Plc Electrochemical apparatus for energy storage and/or power delivery comprising multi-compartment cells
US5304430A (en) * 1993-02-22 1994-04-19 Hughes Aircraft Company Acid-base concentration cell for electric power generation
JP4843908B2 (ja) * 2004-05-18 2011-12-21 富士ゼロックス株式会社 二次電池及び発電方法
JP4661097B2 (ja) * 2004-06-18 2011-03-30 富士ゼロックス株式会社 注水電池及び発電方法
JP4182925B2 (ja) * 2004-06-21 2008-11-19 富士ゼロックス株式会社 センサー及び物質の検出方法
GB0505087D0 (en) * 2005-03-12 2005-04-20 Acal Energy Ltd Fuel cells
IN266777B (ko) 2006-03-24 2015-06-01 Acal Energy Ltd
GB0608079D0 (en) 2006-04-25 2006-05-31 Acal Energy Ltd Fuel cells
GB0614338D0 (en) 2006-07-19 2006-08-30 Acal Energy Ltd Fuel cells
GB0614337D0 (en) 2006-07-19 2006-08-30 Acal Energy Ltd Fuel Cells
GB0718349D0 (en) 2007-09-20 2007-10-31 Acal Energy Ltd Fuel cells
GB0718577D0 (en) 2007-09-24 2007-10-31 Acal Energy Ltd Fuel cells
GB0801199D0 (en) 2008-01-23 2008-02-27 Acal Energy Ltd Fuel cells
GB0801198D0 (en) 2008-01-23 2008-02-27 Acal Energy Ltd Fuel cells
WO2010042899A1 (en) * 2008-10-10 2010-04-15 Deeya Energy Technology, Inc. Flexible multi-walled tubing assembly
KR101233295B1 (ko) * 2010-08-13 2013-02-14 한국에너지기술연구원 흐름전극장치
DE102011107185B3 (de) * 2011-07-13 2012-08-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Luftatmende Brennstoffzelle und Zellstapel für die Oxidation von Ionen mit Sauerstoff
US20140050999A1 (en) * 2012-08-19 2014-02-20 Ftorion, Inc. Flow Battery And Regeneration System
WO2014164352A1 (en) * 2013-03-11 2014-10-09 BlueCell Energy, LLC Energy generation and storage using electro-separation methods and devices
EP3033790A1 (en) * 2013-08-18 2016-06-22 FTorion, Inc. Flow battery and regeneration system with improved safety
US10411284B2 (en) * 2013-10-03 2019-09-10 Massachusetts Institute Of Technology Flow battery with dispersion blocker between electrolyte channel and electrode
US10243240B2 (en) 2014-11-13 2019-03-26 Basf Corporation Electrolytes and metal hydride batteries
US20160141724A1 (en) * 2014-11-13 2016-05-19 Basf Corporation Electrolytes and Metal Hydride Batteries
TWI598032B (zh) * 2016-08-03 2017-09-01 達方電子股份有限公司 自然導流散熱的電池模組
KR102066239B1 (ko) * 2017-09-18 2020-01-14 롯데케미칼 주식회사 분리막 복합체 및 레독스 흐름 전지

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH402091A (de) * 1963-05-30 1965-11-15 Bbc Brown Boveri & Cie Mit einem Energiespeicher kombiniertes Niedertemperatur-Brennstoffelement
FR1378073A (fr) * 1963-07-24 1964-11-13 Convertisseur direct de l'énergie de neutralisation d'un acide par une base en énergie électrique
JPS5747272B2 (ko) * 1974-12-13 1982-10-08
DE2829530A1 (de) * 1978-07-05 1980-01-17 Herbert Schreiber Elektrodialyse-verfahren
EP0013113A1 (en) * 1978-12-21 1980-07-09 Allied Corporation A process and apparatus for the production of electrical energy from the neutralization of acid and base in a bipolar membrane cell
US4343868A (en) * 1980-12-31 1982-08-10 Electric Power Research Institute, Inc. Hydrogen ion-producing cell and technique for controlling the pH of battery electrolytes
FR2601508B1 (fr) * 1986-07-09 1988-10-21 Interox Sa Procede pour la production d'electricite dans une pile a combustible, et pile a combustible
US4738904A (en) * 1986-10-14 1988-04-19 Hughes Aircraft Company Low temperature thermoelectrochemical system and method

Also Published As

Publication number Publication date
US5304432A (en) 1994-04-19
EP0592988A1 (en) 1994-04-20
JPH06223858A (ja) 1994-08-12
KR940010444A (ko) 1994-05-26
CA2107867A1 (en) 1994-04-14

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